Открытая добыча полезных ископаемых: от бурения и взрывных работ до контроля уровня воды и рекультивации шахт.
На первый взгляд, разработка карьера кажется простой: бурить породу, дробить ее, загружать и вывозить.
На практике безопасная и продуктивная работа карьера зависит от нескольких взаимосвязанных систем. Геометрия уступов влияет на бурение. Качество бурения влияет на взрывные работы. Взрывные работы влияют на погрузку, транспортировку, дробление, устойчивость склонов, пылеобразование, дренаж и, в конечном итоге, на стоимость рекультивации.
Понимание всего рабочего процесса гораздо полезнее, чем рассмотрение какой-либо отдельной машины в отрыве от контекста.
1. Два основных типа карьеров
«Замкнутый контур» — это горизонтальная замкнутая линия, образованная границей карьера на поверхности земли.
В зависимости от рельефа местности и положения месторождения относительно данной контурной линии, карьеры обычно делятся на два типа:
Открытые карьеры на склонах холмовОни расположены выше замкнутого контура поверхности. Выемка грунта осуществляется вдоль склона, и гравитация может способствовать некоторым дренажным работам.
Открытые карьеры в депрессииЭти котлованы простираются ниже уровня поверхности, образуя замкнутый контур. По мере углубления выемки в таких котлованах часто требуются более сложные меры по контролю за уровнем воды, планированию подъездных дорог и управлению склонами.
Это различие влияет на планировку шахты, подъездные дороги, дренажную систему и окончательную конструкцию откосов.
2. Три основных элемента скамейки
В карьере открытого типа выработка ведется горизонтальными выработками, называемыми уступами.
Лавка:Горизонтальный слой, на который разделена рудная и горная масса. Вертикальное расстояние между рабочими уровнями называется высотой уступа.
Поверхность скамьи:Наклонная поверхность уступа, обращенная к отработанной зоне. Угол между этой поверхностью и горизонтальной плоскостью называется углом между уступом и поверхностью.
Платформа или насыпь:Горизонтальная область между носком и вершиной скамьи. Ее ширина равна ширине платформы.
Разные платформы служат разным целям:
Рабочая платформа предназначена для бурения, взрывных работ, погрузки и транспортировки.
Защитный или водоотводной вал помогает перехватить падающие камни.
Очистная насыпь обеспечивает пространство для удаления рыхлого материала.
Рабочая ширина должна быть достаточной как для перемещения оборудования, так и для безопасного разделения.
Проектирование уступов – это не только производственный вопрос. Это также вопрос устойчивости склонов и контроля доступа.
3. Основная последовательность открытой добычи
Основной производственный процесс обычно включает в себя:
Бурение
Взрывные работы или дробление горных пород
Погрузка и транспортировка
Удаление пустой породы
Каждый этап влияет на следующий. Некачественное бурение может привести к некачественному взрыву. Некачественное дробление может привести к перегрузке экскаваторов и дробилок. Слабая конструкция подъездных дорог может снизить производительность погрузочной техники, которая в остальном является работоспособной.
Бурение
Бурение — это первая крупная операция при разработке месторождения открытым способом. На нее обычно приходится от 10% до 15% от общей себестоимости добычи.
Широко используются три категории оборудования.
Буровые установки DTHОни обеспечивают гибкие углы бурения, хорошую мобильность и относительно небольшой вес оборудования и инвестиции. Они полезны для небольших и средних шахт, особенно в породах средней твердости. Наклонное бурение может помочь контролировать качество руды, уменьшить образование забоя и ограничить образование крупных блоков.
Роторные буровые установки для взрывных работОни обеспечивают высокую производительность и высокий уровень механизации. Широко используются в крупных карьерах и позволяют бурить пласты различной твердости.
Крупногабаритные или гусеничные буровые установки для бурения горных породИспользуются одна или несколько буровых установок с автоматической подачей, смонтированных на стреле или раме. Их мобильность и механический привод делают их пригодными для специализированных или изменяющихся видов буровых работ.
При бурении с использованием погружного бурового инструмента (DTH) молоток, долото, штанга, компрессор, система промывки и горная порода должны быть подобраны как единая система. Диаметр скважины, глубина, угол наклона и точность — все это влияет на конечный результат взрыва или раскалывания породы.
Взрывные работы и контролируемое разрушение горных пород.
Цель взрывных работ — получение фрагментов приемлемого размера для экскаваторов, самосвалов и дробилок. Во многих карьерах взрывные работы составляют приблизительно 15–20% от общей себестоимости продукции.
К распространенным методам относятся:
Взрывные работы в неглубоких скважинах:Обычно используются отверстия меньшего диаметра, часто около 30-75 мм, с глубиной, как правило, менее 5 м. Применяется в небольших карьерах, туннелях, дорожных выемках, при вторичном разрушении грунта и специальных земляных работах.
Взрывозащита глубоких скважин:Используются более глубокие отверстия, просверленные с помощью погружного бурового оборудования или роторного оборудования. В зависимости от конструкции стенда и требований к фрагментации могут использоваться вертикальные и наклонные отверстия.
Взрывные работы в камере:Закапывает большое количество взрывчатого вещества в камеру или подземное отверстие. Как правило, это ограничено условиями конкретного строительства или крупномасштабных карьеров.
Многорядная миллисекундная импульсная обработка:Используется, когда требуются большие объемы производства. Контролируемое время запуска может улучшить фрагментацию и более эффективно управлять вибрацией, чем одновременное инициирование.
Вблизи финишных откосов инженеры могут использовать контролируемые методы взрывных работ, такие как задержки в миллисекундах, предварительное раскалывание, гладкие взрывные работы и буферные взрывные работы. Цель состоит в защите оставшейся горной породы, а не просто в максимальном разрушении.
Для участков, расположенных вблизи зданий, железных дорог, автомагистралей, линий электропередач или других объектов, представляющих серьезную опасность, более подходящим может быть не взрывной метод. Система газового электролиза O2 Gas Energy Rock использует жидкий кислород и горючий абсорбент внутри гидроразрывной трубы. Это контролируемый процесс фазового перехода, а не обычная взрывная система.
Система O2 может быть рассмотрена в тех случаях, когда важны меньшая интенсивность ударной волны, снижение вибрации, упрощение классификации при транспортировке и контролируемое раскалывание горных пород. Фактические процедуры бурения, забивки, зарядки, зажигания, отчуждения и аварийного восстановления должны проектироваться и контролироваться квалифицированным персоналом.
4. Погрузка и транспортировка
Погрузка является центральным звеном в цикле открытой добычи. Экскаваторы извлекают руду или взорванную породу и загружают ее в транспортное оборудование или перемещают в назначенное место.
К распространенному погрузочному оборудованию относятся:
Гидравлические экскаваторы
Кабельные лопаты
Гидравлические экскаваторы
Колесные погрузчики
Погрузка и транспортировка не могут быть оптимизированы по отдельности. Более крупный экскаватор малоэффективен, если грузовики выстраиваются в очередь у забоя или подъездные пути находятся в плохом состоянии.
Транспортная инфраструктура может составлять значительную долю инвестиций в горнодобывающую промышленность, а на транспортировку в некоторых случаях может приходиться более половины общих затрат на руду и рабочую силу.
К распространенным транспортным системам относятся:
Грузоперевозки
Железнодорожные перевозки
Конвейерные системы
Наклонный подъемник
Комбинированные транспортные системы
Автомобильные перевозки остаются наиболее распространенным методом благодаря своей гибкости, но крупные шахты все чаще внедряют непрерывные конвейеры, программное обеспечение для диспетчеризации и автоматизированное оборудование.
5. Утилизация отвальной породы
Отвальная порода и снятые вскрышные породы должны быть перемещены в специально отведенные места для захоронения.
Для транспортировки пустой породы могут использоваться автомобильный, железнодорожный транспорт или конвейеры. Площадки для захоронения могут быть спроектированы как одноярусные, многоярусные крытые или многоярусные площадки, опирающиеся на основание.
Конструкция свалки должна учитывать вместимость, дренаж, устойчивость склонов, разделение транспортных потоков и долгосрочную рекультивацию. Неправильное размещение отходов может привести к нестабильности грунта, стоку воды, пылеобразованию и проблемам в будущем при рекультивации.
6. Защита от воды и дренаж
Водоотведение — одна из важнейших инженерных систем при разработке карьеров.
К распространенным методам дренажа относятся:
Гравитационный дренаж для шахт, расположенных на склонах холмов.
Донный сбор для неглубоких ям с ограниченным притоком.
Поэтапный перехватывающий дренаж для более глубоких котлованов с более высоким расходом воды.
Подземные галереи и дренажные туннели для очень большого притока воды.
В зависимости от рельефа местности и геологических особенностей, может использоваться комбинация нескольких систем.
Гидроизоляция также требует регулярного осмотра. Дренажные каналы, барьеры, насосы, облицовочные материалы и другие защитные сооружения следует проверять перед сезоном дождей и после экстремальных погодных условий.
7. Проблемы после добычи полезных ископаемых
На неконтролируемых участках открытой добычи могут возникнуть серьезные опасности:
Накопление воды в яме
Высокие и неустойчивые склоны
Оползни
Влияние давления на расположенные поблизости подземные выработки
Разрушение хвостохранилища
Селевые потоки затрагивают населенные пункты, расположенные ниже по течению.
Долгосрочный экологический ущерб от сброса отходов обогащения
Эти риски следует учитывать на этапе планирования горных работ, а не только после завершения производства.
8. Реабилитация шахт
Современная рекультивация шахт обычно фокусируется на четырех областях.
Обработка склонов:Удалить неустойчивые скальные породы, уменьшить чрезмерные углы наклона склонов, сформировать устойчивые террасы и восстановить растительный покров на обработанных участках.
Управление отходами обогащения:Используйте подходящие отходы обогащения в качестве подземной засыпки там, где это технически и юридически целесообразно. Извлекайте ценные минералы путем переработки и изучайте безопасные способы их использования в качестве строительных материалов.
Обработка почвы:Восстановить или улучшить поврежденную почву, установить барьеры, ограничивающие распространение загрязняющих веществ, и внести удобрения, восстанавливающие плодородие.
Восстановление растительности:Выбирайте растения, адаптированные к местному климату, бедным почвам и, при необходимости, к воздействию тяжелых металлов. Прямой растительный покров прост и экономичен; внесение верхнего слоя почвы часто улучшает приживаемость и скорость восстановления.
Наиболее эффективным карьером является не просто тот, который перемещает больше всего породы. Это тот, который с самого начала координирует бурение, дробление породы, погрузку, транспортировку, дренаж, укрепление склонов и рекультивацию.
