Principii și metode pentru proiectarea limitelor exploatării miniere la suprafață
Caracteristicile exploatării în carieră deschisă Exploatarea în carieră deschisă este extracția minereului într-un mediu expus (la suprafață) folosind echipamente specifice de excavare și transport. Caracteristica sa definitorie este că, pentru a recupera minereul, roca și depozitul de material de descoperit din jur trebuie îndepărtate, iar minereul sau roca transportate la suprafață prin rute de transport de suprafață sau lucrări subterane. Această metodă este utilizată pe scară largă pentru extragerea minereurilor metalice, a materiilor prime metalurgice, a materialelor de construcții, a materiilor prime chimice și a cărbunelui.
Comparativ cu mineritul subteran, mineritul la suprafață - deoarece operează într-un spațiu expus - are următoarele caracteristici:
(1) Spațiul de lucru este relativ neîngrădit, ceea ce facilitează utilizarea echipamentelor mecanizate de mari dimensiuni. Nivelurile ridicate de mecanizare și automatizare pot crește intensitatea exploatării și producția de minereu.
(2) Productivitate ridicată a muncii.
(3) Costuri miniere mai mici, ceea ce face fezabilă exploatarea la scară largă a minereurilor cu conținut scăzut.
(4) Pierdere și diluție mai reduse de minereu, ceea ce este favorabil pentru recuperarea resurselor minerale.
(5) Timp de dezvoltare mai scurt; cheltuielile de capital pe tonă anuală de minereu sunt mai mici decât în cazul mineritului subteran.
(6) Pentru zăcămintele de minereu fierbinți sau combustibile, exploatarea în cariere deschise poate fi mai sigură decât exploatarea subterană.
(7) Condiții de muncă mai bune și, în general, operațiuni mai sigure.
(8) Operațiunile în cariere deschise produc o cantitate semnificativă de praf și emisii provenite de la vehicule; roca explozibilă care conține componente nocive poate polua într-o oarecare măsură aerul înconjurător, apa și solul.
(9) Volume mari de deșeuri sunt depozitate în halde de deșeuri; instalațiile de gestionare a deșeurilor ocupă terenuri extinse (munți, terenuri agricole) și pot degrada local mediul.
(10) Condițiile meteorologice precum zăpada, gheața și ploile abundente pot afecta negativ operațiunile în cariere deschise.
Definirea limitelor de exploatare (limitele carierelor) este fundamentul proiectării minelor la suprafață și o condiție prealabilă pentru o exploatare eficientă din punct de vedere economic și sigură. Cercetătorii și practicienii din întreaga lume au studiat de mult timp optimizarea limitelor carierelor și au produs rezultate substanțiale. Cu toate acestea, deoarece minele la suprafață se confruntă cu corpuri geologice complexe și variabile, distribuții neregulate de conținut și parametri economici în schimbare - factori neliniari și dinamici - determinarea limitelor optime ale carierelor rămâne dificilă. Această lucrare abordează problemele cheie în optimizarea limitelor carierelor: analizează lucrările anterioare, analizează caracteristicile dinamice ale limitelor carierelor, examinează principalii factori care afectează unghiul final stabil al pantei, propune metode pentru prezicerea unei pante finale rezonabile și studiază metode rapide pentru generarea seriilor de limite ale carierelor și determinarea limitei finale a carierei. Bazat pe practica inginerească și pe evoluțiile actuale și utilizând teoria și metodele multidisciplinare, studiul oferă o cercetare sistematică și aprofundată, cu o valoare teoretică și practică semnificativă.
Principii de proiectare pentru limitele carierelor deschise Dimensiunea limitelor carierelor deschise determină cantitățile de minereu și de decapant care trebuie îndepărtate. Pe măsură ce limitele carierelor se adâncesc și se extind, tonajul de minereu crește, dar și decapantul crește substanțial, determinând creșterea raportului de decapare. Prin urmare, determinarea limitelor carierelor implică, în esență, controlul raportului de decapare, astfel încât acesta să nu depășească raportul de decapare acceptabil din punct de vedere economic.
Mai multe tipuri de rapoarte de decapare sunt legate de dimensiunea limită a carierei. Ce raport de decapare trebuie controlat este dezbătut; lucrarea prezintă trei puncte de vedere academice reprezentative, timpurii și istorice, precum și criteriile de proiectare corespunzătoare:
(1) Raportul de decopertare la limita carierei nu este mai mare decât raportul economic de decopertare. Acest criteriu impune ca raportul de decopertare la limita carierei să nu depășească raportul de decopertare rezonabil din punct de vedere economic. Esența sa este de a se asigura că, pe măsură ce cariera se adâncește, beneficiul economic marginal al exploatării în carieră deschisă nu este mai rău decât cel al exploatării subterane. Pentru corpurile de minereu continue cu strat protector subțire, acest principiu tinde să maximizeze profitul total din zăcământ. Deoarece își propune să optimizeze rezultatul economic total și este simplu de calculat și aplicat, criteriul ≤ este utilizat pe scară largă în proiectarea manuală a limitelor carierei, atât pe plan intern, cât și internațional. Cu toate acestea, pentru zăcămintele cu strat protector gros sau discontinuu, acest criteriu poate să nu fie adecvat; prin urmare, este o condiție necesară, dar nu suficientă, pentru o limită optimă a carierei.
(2) Raportul mediu de decapare nu este mai mare decât raportul economic de decapare. Acest criteriu își propune să controleze performanța economică generală a mineritului la suprafață, astfel încât să nu fie mai slabă decât mineritul subteran. Obiectivul este de a maximiza minereul recuperabil în zona limită a carierei, asigurându-se în același timp că economia generală a carierei la suprafață nu scade sub cea a mineritului subteran. Deoarece utilizează o medie aritmetică, unele zone locale pot avea performanțe economice sub așteptări în comparație cu metodele subterane. Criteriul ≤ medie poate fi utilizat împreună cu criteriul ≤ limită carieră: după delimitarea carierei după criteriul limitei carierei, trebuie verificat raportul mediu de decapare în cadrul acestei limite. Acest criteriu este adesea aplicat pentru minerale rare, de mare valoare sau zăcăminte mici, atunci când este de dorit maximizarea extracției la suprafață (pentru a minimiza diluția și pierderea de minereu). De asemenea, este utilizat în mod obișnuit pentru carierele de piatră dimensională și calcar.
(3) Raportul de decopertare a producției nu este mai mare decât raportul economic de decopertare. Raportul de decopertare a producției reflectă raportul real decopertare/minereu înregistrat pe parcursul ciclului de producție al minei. Aplicarea criteriului ≤ producție asigură că, în orice etapă de producție, rezultatul economic al mineritului în carieră deschisă nu este mai rău decât cel al mineritului subteran. Raportul de decopertare a producției poate fi un raport de producție de echilibru sau un raport de decopertare dezechilibrat (dependent de timp). Limitele carierelor derivate din criteriul de producție sunt mai mici decât cele din criteriul limitei carierei, dar mai mari decât cele din criteriul mediu și, prin urmare, duc la investiții inițiale mai mari în decopertare și dezvoltare. Deoarece raportul de decopertare a producției este dificil de definit cu precizie, iar relația sa cu adâncimea este complexă, acest criteriu este mai puțin practic și rareori utilizat.
Elemente ale limitelor exploatării miniere în carieră deschisă 3.1 Unghiul final al pantei și structura pantei Unghiul final (final) al pantei carierei afectează în mare măsură siguranța producției și performanța economică. Dintr-o perspectivă economică, se preferă o pantă mai abruptă (unghi mai mare), deoarece un unghi de pantă mai mic crește îndepărtarea deșeurilor și rata de descopertare. Cu toate acestea, unghiurile excesive de pantă pot cauza instabilitate și pot pune în pericol siguranța. Prin urmare, unghiul final al pantei trebuie să îndeplinească atât cerințele de stabilitate (siguranță), cât și cele operaționale (minier).
Cerința de stabilitate este ca, pe baza proprietăților masei de rocă și a analizei de stabilitate, unghiul final de pantă să asigure stabilitatea pantei. În etapa de proiectare a limitei carierei, unghiurile finale de pantă sunt, în general, selectate cu referire la mine similare și apoi supuse unei analize preliminare de stabilitate și unor calcule simplificate cu datele disponibile.
3.2 Lățimea și amplasarea fundului carierei (1) Lățimea și valorile minime ale fundului carierei Lățimea minimă a fundului carierei trebuie să permită echipamentelor miniere și de transport să funcționeze și să efectueze lucrări în siguranță. În general, nu trebuie să fie mai îngustă decât lățimea șanțului de pornire (excavație inițială); valoarea minimă este determinată de specificațiile echipamentului și de calculele de amplasare a transportului.
(2) Amplasarea fundului și limitele carierei geometric similare (autosimilare). Criteriul de bază pentru amplasarea podelei carierei este de a minimiza raportul mediu de decopertare din cadrul carierei. Uneori, podeaua carierei este ajustată în raport cu zonele mecanice ale rocilor sau cu cele structurale, astfel încât pantele finale să evite zonele fracturate sau structural slabe, îmbunătățind stabilitatea și simplificând exploziile.
În funcție de grosimea orizontală a zăcământului, există trei poziții posibile pentru fundul carierei:
Dacă grosimea orizontală a zăcământului este mai mică decât lățimea minimă a fundului, trasați planul podelei carierei la lățimea minimă.
Dacă grosimea orizontală este egală cu sau depășește puțin lățimea minimă a fundului, setați lățimea podelei carierei egală cu grosimea zăcământului.
Dacă grosimea orizontală a zăcământului depășește cu mult lățimea minimă a fundului, se utilizează lățimea minimă a fundului.
Poziția aleasă ar trebui să maximizeze minereul recuperabil, să minimizeze deșeurile și să producă cea mai bună calitate a minereului - adică, să maximizeze beneficiul economic.
Deoarece fundurile reale ale carierelor au lățimi diferite de zero, limitele carierelor similare din punct de vedere geometric nu sunt pe deplin aplicabile. În proiectare, determinați amplasarea fundului carierei după următoarele cazuri: (i) pe teren plat, atât corpurile groase, cât și cele subțiri pot forma limite ale carierelor similare din punct de vedere geometric; (ii) pe teren înclinat, dacă grosimea orizontală este mai mare decât lățimea minimă, cariera are o formă similară, în timp ce corpurile subțiri cu grosimea orizontală mai mică decât lățimea minimă trebuie să îndeplinească constrângeri suplimentare.
(3) Metodă de proiectare pentru limite de cariere geometric similare O limită de carieră geometric similară este poziția teoretică optimă a fundului care minimizează raportul mediu de decapare - în fapt, poziția optimă a fundului atunci când lățimea fundului se apropie de zero.
3.3 Adâncimea carierei Criteriile de proiectare a limitei carierei determină, în esență, adâncimea carierei justificată din punct de vedere economic. În funcție de continuitatea zăcământului și de lungimea direcției de delimitare, carierele pot fi clasificate ca cariere lungi sau cariere scurte. Dacă raportul lungime-lățime depășește 4:1, cariera este "lung", iar volumul de minereu din peretele final este relativ mic; în proiectarea manuală, contribuția peretelui final este adesea neglijabilă. Dacă raportul este mai mic de 4:1, cariera este "scurt", iar minereul din peretele final poate reprezenta 15-20% sau mai mult din total și trebuie luat în considerare.
(1) Determinarea preliminară a adâncimii carierei pe secțiunile transversale geologice Există trei metode pentru determinarea adâncimii carierei pe secțiunile transversale geologice: (a) metoda analitică, (b) metoda grafică și (c) metoda analizei în plan (analiza schemei). Metoda analizei în plan este cea mai utilizată. Etapele sale sunt: 1) propunerea mai multor adâncimi candidate pentru cariere; 2) calcularea rapoartelor de decopertare a carierei pentru fiecare adâncime; 3) trasarea curbelor de analiză și selectarea unei adâncimi inițiale.
(2) Ajustați cota inferioară pe secțiunile transversale Ajustați cota fundului gropii pe secțiunile transversale; cota ajustată este adâncimea de proiectare a gropii.
(3) Delimitarea limitelor carierei deschise (metoda manuală) Delimitarea manuală a limitelor carierei implică trei etape principale:
Desenați perimetrul teoretic al podelei carierei la adâncimea de proiectare: pe fiecare secțiune transversală, secțiune longitudinală și secțiune auxiliară desenați limita podelei la adâncimea de proiectare; apoi trasați un plan al orizontului stratigrafic la acea cotă. Proiectați punctele capetelor podelei carierei din vederile secțiunii pe plan și uniți-le pentru a obține perimetrul teoretic al podelei. Neteziți polilinia într-o curbă pentru a forma perimetrul de proiectare al podelei carierei. Verificați dacă dimensiunile podelei îndeplinesc cerințele de amenajare a transportului și de operare a echipamentelor - rectilinie, razele de curbură și lungimea podelei trebuie să îndeplinească standardele tehnice.
Trasați limita carierei: pe planul topografic-geologic, trasați perimetrul podelei de proiectare și apoi, din interior spre exterior, trasați bazele băncilor și liniile de creastă pentru fiecare băncuță (adică bănci și pante) în funcție de elementele de pantă selectate. Părțile deprimate ale carierei formează baze închise pe plan; părțile de pe versant pot avea linii de bază ale băncilor care se leagă de liniile de contur de aceeași altitudine.
Desenați planul final al carierei: pe planul limitei carierei, trasați drumurile de transport și de dezvoltare (traseul liniar), apoi, de jos în exterior, desenați fețele rampelor și platformele pentru configurația finală. De asemenea, proiectați platformele rampelor între rampe, acolo unde este necesar. Verificați și ajustați planul inițial al limitei carierei, deoarece trasarea drumurilor și constrângerile de dezvoltare pot relaxa unghiurile de pantă și pot crește decopertarea.
(4) Desenarea secțiunilor transversale ale limitelor carierei Folosind planul final al carierei, desenați trei secțiuni transversale reprezentative la scările corespunzătoare. Linia secțiunii longitudinale este trasată prin punctele cheie ale lățimii inferioare a planului; folosind lățimi de banc, proiectați succesiv în sus pentru a completa secțiunile transversale.
Determinarea și optimizarea limitelor carierelor deschise Folosind principiile de proiectare aplicate în mod obișnuit descrise mai sus, metoda și etapele pentru determinarea și optimizarea limitei carierelor sunt următoarele:
(1) Determinarea adâncimii carierei. Pentru carierele alungite, se determină mai întâi adâncimea pe fiecare secțiune geologică transversală și apoi se ajustează elevația fundului folosind secțiuni longitudinale. Pentru carierele scurte cu raporturi mari adâncime-lățime, se iau în considerare efectele expansiunii pereților terminali. Dacă adâncimea nu poate fi determinată direct din secțiuni, se calculează rapoartele de decofrare a carierei pe vederile în plan pentru mai multe adâncimi candidate și se selectează adâncimea la care raportul de decofrare a carierei este egal cu raportul de decofrare rezonabil din punct de vedere economic.
(2) Determinați perimetrul fundului carierei pe plan. Lățimea fundului carierei poate fi mai mare sau mai mică decât grosimea orizontală a zăcământului, dar trebuie să respecte cerința minimă de lățime. Principiul este de a maximiza recuperarea minereului, reducând în același timp deșeurile. Lățimea minimă a fundului carierei ar trebui să asigure producția în siguranță și funcționarea normală a echipamentelor miniere și de transport; în practică, aceasta corespunde lățimii șanțului de inițiere și depinde de metodă și echipament - de obicei nu mai puțin de 20-30 m pentru siguranță.
După fixarea elevației inferioare și a pozițiilor finale, desenați perimetrul teoretic al podelei prin proiectarea punctelor finale din secțiunile transversale pe planul stratigrafic la elevația de proiectare și conectarea acestora. Pentru ușurința transportului, perimetrul podelei trebuie să fie cât mai drept posibil; părțile curbate trebuie să îndeplinească razele minime de curbură pentru echipamente.
(3) Determinarea structurii pantei și a unghiurilor de pantă. Stabilitatea pantei este esențială pentru o producție sigură. Selectarea corectă a unghiului de pantă este principalul mijloc de asigurare a stabilității. În limitele cerințelor tehnice și de stabilitate, adoptați cel mai abrupt unghi final de pantă posibil pentru a minimiza eliminarea deșeurilor. La stabilirea unghiurilor de pantă, luați în considerare proprietățile masei rocilor, structura geologică, hidrogeologia, metoda și echipamentul de extracție, durata de viață planificată a minei și clima. Pe cât posibil, efectuați teste mecanice ale rocilor și calculați stabilitatea pantei. Deoarece metodele de calcul existente nu sunt întotdeauna perfecte, în practică, unghiurile finale de pantă sunt adesea alese cu referire la mine analoage și date empirice.
(4) Desenați vederea în plan finală. Pașii includ:
Transferați perimetrul determinat al fundului carierei pe hârtie transparentă și suprapuneți-l pe harta topografico-geologică; de la interior spre exterior, trasați picioarele băncii în funcție de elementele de pantă.
Trasați drumuri de transport.
Revizuirea și revizuirea planului preliminar final al carierei.
Proiectați planul finalizat pe secțiuni transversale astfel încât limitele secțiunii să fie în concordanță cu planul. Deoarece unghiul de pantă, lățimea și adâncimea podelei afectează puternic limitele finale ale carierei, se poate stabili un sistem dinamic de indici de evaluare pentru a modela și optimiza limitele carierei deschise. Algoritmi îmbunătățiți ai rețelei neuronale BP pot fi utilizați pentru a construi modele de predicție pentru unghiuri finale de pantă stabile. Simularea tridimensională pe computer poate susține programarea eficientă și vizuală a producției. Metodele de simulare pe computer permit o optimizare suplimentară a limitelor carierei.
Concluzie Exploatarea în cariere deschise utilizează echipamente specificate de excavare și transport într-un spațiu de lucru expus. Unghiul final al pantei carierei, lățimea și amplasarea fundului carierei, precum și adâncimea carierei influențează substanțial siguranța și economia producției. Determinarea limitelor carierei este o sarcină complexă care necesită respectarea unor principii fundamentale, adaptându-se în același timp flexibil la condițiile specifice amplasamentului pentru a obține un design rezonabil. Această lucrare a analizat aspectele cheie în optimizarea limitelor carierei, a analizat caracteristicile limitelor carierei deschise, a examinat indicatorii primari care afectează unghiul final stabil al pantei și metodele de prezicere a unei pante finale rezonabile și a discutat abordări pentru optimizarea limitelor carierei.
