Рабочая зона карьера как объект проветривания

Рабочей зоной является та часть карьерного поля, в которой в данный период эксплуатации предприятия находятся рабочие пло­щадки, размещено основное горнотранспортное оборудование, большая часть внутрикарьерных и энергетических коммуникаций и ведутся горные работы по выемке вскрыши и добыче полезного ис­копаемого. В рабочей зоне карьера поддерживается нормативная величина готовых к выемке запасов полезного ископаемого.

Элементами рабочей зоны являются рабочие уступы и пло­щадки, внутренние съезды и разрезные траншеи, внутренние отва­лы, а также различные сооружения: перегрузочные пункты, вре­менные склады горной массы и др.

Поскольку рабочая зона карьера одновременно является и за­стойной (рециркуляционной) зоной, нуждающейся в проветрива­нии в первую очередь, рассмотрим ее несколько подробнее.

Конструкция, параметры и показатели рабочей зоны, а также ее развитие различны на горизонтальных и наклонных месторож­дениях.

При разработке горизонтальных месторождений горные рабо­ты ведутся без углубки карьера, рабочая зона, хотя и перемещается в карьерном поле по мере углубки карьера, но по своей конструк­ции и размерам является в основном стабильной (рис. 2.1, а).

Ширина рабочей зоны составляет около 100-150 м. Высота зоны может слегка изменяться соответственно колебаниям рельефа местности и мощности пласта, а длина зоны - соответственно из­менениям конечного контура карьера.

При разработке наклонных месторождений размеры рабочей зоны изменяются по мере увеличения глубины карьера с темпом, пропорциональным углу падения залежи.

На карьерах, разрабатывающих пологие месторождения, по­степенно увеличивается число вскрышных уступов и, следователь­но, увеличивается площадь вскрышной зоны и длины фронта работ по вскрыше. Параметры добычной и отвальной зон остаются ста­бильными (рис. 2.1, б).

Рис. 2.1. Рабочие зоны карьера при разработке горизонтальных (а),

пологих (б) и крутых (в) месторождений:

/ - добычная, 2 - вскрышная, 3 - отвальная

Эти изменения происходят медленно, так как при ежегодном подвигании фронта работ в 100-200 м глубина карьера увеличива­ется не более чем на 0,5-1,5 м/год.

При разработке наклонных и крутых месторождений рабочая зона в первый период расширяется, а затем, достигнув границ карь­ера, уменьшается пропорционально углам погашения бортов карье­ра (рис. 2.1, в). В условиях сложноструктурных месторождений не всегда могут быть достаточно четко выделены границы вскрышной и добычной зон. Поэтому в общей изменяющейся площади рабочей зоны выделяют изменяющуюся по месту расположения, но ста­бильную по суммарной площади добычную зону, длина фронта ра­бот на которой должна обеспечивать заданную производительность карьера по добыче с учетом установленного режима выдачи раз­личных сортов руд.

Конструкция рабочей зоны определяется ее формой в плане (продольная, поперечная, округлая), числом рабочих бортов (одно-бортовая или двухбортовая) и строением горной массы- неодно­родная (добытая и вскрышная) или однородная.

Развитие рабочей зоны вначале рассматривается в процессе проектирования карьера, затем при планировании горных работ и, наконец, реализуется при производстве горных работ.

В любой момент разработки рабочая зона должна:

обеспечивать заданную или требуемую в данное время произ­водственную мощность карьера как по количеству, так и на качест­ву добываемого полезного ископаемого;

обеспечивать производство горных работ с наименьшими за­тратами или с наибольшей прибылью;

соответствовать перспективе развития горных работ на тре­буемый длительный период оценки;

обеспечивать необходимые санитарно-гигиенические требо­вания к воздуху и видимость на рабочих местах [8].

Рабочая зона моделируется и анализируется как сложнострук-турная топографическая поверхность, изменяющаяся в пространст­ве и во времени в соответствии с технологическими закономерно­стями и ограничениями.

При проектировании и планировании горных работ рабочая зона может быть представлена в графической форме (планы и по­перечные сечения) или в виде математической модели, используе­мой для компьютерных расчетов. Перспективным для автоматизи­рованных систем является геоинформационный способ моделиро­вания, позволяющий в совместимых математических моделях и информационных банках представлять все необходимые данные о геологии, параметрах рабочей зоны, транспортных коммуникациях и др.

Формирование рабочей зоны в карьере в процессе его экс­плуатации происходит не случайно, а в соответствии с принятыми критериями, подчиняется определенным закономерностям и может быть оценено системой показателей, таких как скорость и направ­ление углубки и подвигания фронта работ, темпы изменения пло­щади рабочей зоны и др. Основной закономерностью формирова­ния рабочей зоны является соотношение между направлением и скоростью понижения горных работ Y, направлением и скоростью подвигания фронта работ Уф и углом рабочего борта р.

Эта зависимость в наиболее простом виде может быть рас­смотрена на поперечном сечении, характеризующем тот или иной участок рабочей зоны.

На поперечном сечении (рис. 2.2, а) показано перемещение контура рабочей зоны в течение года. При углубке карьера за год на величину Y дно карьера из положения О опускается вертикально в положение О_ь а рабочий борт перемещается из положения О А в положение 0\А\. При этом сохраняются постоянными угол рабоче­го борта Р и минимальная ширина рабочей площадки В_тт.

Рис. 2.2. Схемы перемещения рабочей зоны карьера (а) и соотношение

скоростей подвигания фронта работ у_ф к годовой углубке Y

при вертикальном (б) и наклонном направлениях понижения

горных работ (в)

Другими словами, для того чтобы обеспечить годовую углуб-ку Y, м/год, и понизить дно карьера из точки О в точку О_и необхо­димо иметь скорость подвигания фронта работ как со стороны пра­вого, так и левого бортов одинаковой и равной у_ф (рис. 2.2, б). Зави­симость между вертикальным и горизонтальным перемещениями рабочей зоны в этом случае

(2.1)

r=v„/ctg (3.

При этом имеется в виду, что углы правого или левого бортов одинаковы. Если же они неодинаковы, то годовая углубка ограни­чивается скоростью подвигания того борта, угол которого меньше.

Если Р]<Рг j ^т0 для обеспечения заданной величины углубки Y должно быть V!>v₂, так как

(2.2)

у_ф=Гс1_§р.

Если дно карьера перемещается не вертикально, а под углом (например, при разработке наклонного пласта), то зависимость бу­дет иной: подвигание фронта работ по рабочему борту со стороны

висячего бока залежи (левого борта) Уф_л должно быть больше, чем со стороны лежачего бока (правого борта) Уф_П (рис. 2.2, в), т. е. ^фл>^ф_П, так как

у_фл=У(с1_ё(3+с1_ёф); (2.3)

Уф_П=У(с1_ёР-с1_ёф). (2.4)

Пользуясь формулами (2.3) и (2.4), определяют необходимую скорость подвигания фронта (как по лежачему, так и по висячему боку) для обеспечения необходимой скорости углубки карьера, что может быть использовано для прогноза динамики параметров за­стойной зоны карьера, в том числе и ее объема.

Если рабочая (застойная) зона карьера имеет форму усеченно­го конуса, основание которого - многоугольник, а глубина карьера примерно одинакова на всем его протяжении, то объем этой зоны можно определить [11]:

V, =Sh₃ + У₂ h~ Р ctg у_ср + я/3 /7₃³ ctg² у_ср, (2.5)

где S- площадь на дне карьера; /?₃ - высота рабочей (застойной) зо­ны; Р - периметр дна карьера; у_ср - средний угол наклона бортов карьера.

В первом приближении высота рабочей (застойной) зоны мо­жет быть принята равной высоте 3-4 нижних уступов. В после­дующем она может быть уточнена и выверена в соответствии с фактической интенсивностью пыле- и газовыделений и горнотех­нологическими особенностями карьера.

Требования к системам искусственного проветривания карьеров

При создании систем искусственного проветривания карьеров всегда предполагается параллельное выполнение традиционных мероприятий по улавливанию технологических вредностей, созда­нию экологически чистых технологий и техники, средств индиви­дуальной и коллективной защиты органов дыхания и т. д.

Системы искусственной вентиляции карьеров должны отве­чать следующим основным требованиям:

• обеспечивать бесперебойную работу всего технологического оборудования в карьере в течение периодов штилевой погоды и

поддерживать нормальные атмосферные условия в застойных зонах при недостаточной активности природных вентиляционных сил;

• обеспечивать максимальную эффективность подавления вред­ных примесей в пределах карьера и минимальное загрязнение воз­душного бассейна и территории, прилегающей к карьеру.

Механизмы искусственного воздействия на проветриваемый объем карьерного пространства в зависимости от принятой систе­мы вентиляции предусматривают либо разбавление вредностей до уровня ниже ПДК, либо удаление их за пределы карьерного про­странства, исключающее повторное попадание в карьер. Эти про­цессы могут протекать одновременно или раздельно во времени в различных системах аэрации (будут подробно рассмотрены ниже).

Очевидно, что бесперебойная работа возможна лишь в тех случаях, когда установившееся динамическое равновесие процес­сов поступления и удаления вредностей обеспечивает поддержание санитарных норм (содержание вредностей ниже уровня ПДК). При снижении скорости ветрового потока ниже уровня, гарантирующе­го это равновесие, или при наступлении штиля происходит посте­пенное накопление вредностей до опасного уровня, превышающего ПДК, и работа карьера должна быть приостановлена.

При этом допустимая продолжительность штилевого периода, которая не вызовет простоя карьера, может быть определена из вы­ражения

Г_доп=Г₃^тах(С_г-Со)/20, (2.6)

где V₃^max - максимально допустимый объем зоны загрязнения; C_g, Со -допустимая и начальная концентрации вредностей, мг/м; EG -суммарная интенсивность выделения вредностей в проветриваемом объеме, мг/с.

Данное выражение справедливо только при условии, что вы­деляющиеся вредности распределяются в рассматриваемом объеме равномерно, например, при работе струйных вентиляционных ус­тановок в объеме F₃^max без выноса из него вредностей.

Следовательно, допустимое время накопления вредностей («аккумулирующая способность» атмосферы карьера) до опасного уровня зависит от гигиенических характеристик эксплуатируемого в карьере комплекса оборудования и от величины К₃^тах, которая, в свою очередь, зависит от общего объема карьера V_K и стадии веде-

ния горных работ. В периоды строительства карьера горное обору­дование размещается по горизонтам примерно равномерно и вели­чина F₃^max соизмерима с общим объемом карьера. Как правило, то­гда карьер в проветривании не нуждается. Но по мере достижения карьером предельного контура, горные работы и оборудование по­степенно сосредотачивается на нижних горизонтах (3-4 уступа от дна карьера), а величина К₃^тах снижается до 3-16 % общего объема выработанного пространства карьера, что в большинстве случаев составляет величину порядка 2-10 - 10-10⁶ м. Конечно, в ряде слу­чаев на карьерах, имеющих большие размеры в плане, величина F₃^max может достигать и более значительных объемов.

Следует отметить, что весь объем карьера в проветривании не нуждается, поскольку эффективно действующая система вентиля­ции застойных зон глубокого (сверхглубокого) карьера с момента приведения ее в действие должна уменьшать загрязненный объем до полного его устранения. Конечно, при отсутствии системы ис­кусственного проветривания загрязнению может подвергнуться весь объем карьера, но это свидетельствует как раз о необходимо­сти создания таких систем.

Между процессами выделения и выноса вредных примесей при работе горнотранспортного оборудования в карьерах устанав­ливается динамическое равновесие, определяемое уравнением ба­ланса вредных примесей. Нарушение баланса при недостаточной аэрации приводит к накоплению вредных примесей и прекращению работы карьеров.

Баланс содержания вредных примесей в проветриваемом объ­еме описывается дифференциальными уравнениями (при условии равномерного распространения примесей в объеме V._s).

Из анализа процессов поступления и удаления вредностей следует, что в зависимости от характера загрязнения (эпизодиче­ского или непрерывного) и интенсивности выделения примесей мо­гут применяться два принципиально различных способа улучшения атмосферы рабочих зон глубоких карьеров:

• разбавление вредностей в пределах атмосферы карьерного пространства до уровня ниже ПДК;

• активный вынос образующихся вредностей за пределы карь­ерного пространства, исключающий их обратное попадание в карь­ер.

Первый способ может быть эффективен и достаточен при не­больших эпизодических загрязнениях или незначительной интен­сивности источников выделения вредностей. Второй способ обес­печивает бесперебойную работу карьеров при любой продолжи­тельности штилевых периодов, однако требует для себя более мощного вентиляционного оборудования и энергетических затрат.

При этом чрезвычайно важен вопрос о требуемой кратности воздухообмена в застойных зонах карьеров. Очевидно, что на при­нятую для промышленных объектов 3-4-часовую кратность ориен­тироваться в рассматриваемом случае не следует. Во-первых, это потребует очень крупного вентиляционного оборудования и соот­ветствующих капитальных вложений и эксплуатационных затрат, а во-вторых, в этом нет и технической целесообразности, так как ра­бочая зона карьера как объект проветривания принципиально отли­чается от замкнутых, четко ограниченных пространств, например цехов промышленных предприятий или подземных камер большого объема. Дело в том, что даже при сравнительно небольшой подаче вентиляторных установок в трубопроводных системах вентиляции за пределы карьера может быть удалено до 1100 кг пыли (без учета сопутствующих ядовитых газов) [12]. Отсюда вместо кратности воздухообмена в рабочих зонах карьеров целесообразнее ориенти­роваться на показатели интенсивности удаления из них вредностей. Выбор способа искусственного проветривания глубокого (сверхглубокого) карьера, а следовательно, и схемы вентиляции и вентиляционного оборудования должен осуществляться в каждом конкретном случае с учетом климатических условий района, интен­сивности ведения горных работ, геометрических параметров карье­ра, в том числе глубины и объема рабочей зоны и др.