Добыча полезных ископаемых при строительстве дорог
Для строительства и ремонта автомобильных дорог и аэродромов требуется большое количество строительных материалов — камня, гальки, гравия, щебня, песка и т. д. Обеспечение этими материалами должно идти по пути максимального использования тех горных пород и техногенных материалов (шлаков, отходов горно-рудной промышленности и т. д.), которые залегают на поверхности или на небольшой глубине вблизи строящегося или эксплуатируемого объекта. Эти материалы являются наиболее дешевыми, и применение их существенно снижает стоимость объектов.
Скопления в земной коре горных пород (или минералов), представляющих практический интерес для обеспечения жизни и хозяйственной деятельности человека, называют месторождениями полезных ископаемых. Горные породы, которые могут служить природными строительными материалами или сырьем для их изготовления, относят к нерудным полезным ископаемым, а их скопления принято называть месторождениями строительных материалов. С некоторой долей условности к таким месторождениям можно относить и скопления техногенных материалов (породы терриконов, золы ГРЭС, шлаки и т. д.), так как это тоже минеральные скопления, которые представляют определенный интерес, в частности для дорожно-строительного дела.
Поиски и разведка месторождений строительных материалов могут включаться в состав инженерно-геологических изысканий. Следует отметить, что при изысканиях под автодороги и аэродромы эти работы не только могут, но и должны быть предусмотрены программой изысканий.
Нерудные полезные ископаемые в большинстве случаев добывают из открытых горных выработок, называемых карьерами. Карьер — это открытая эксплуатационная горная выработка значительных по-
Рис. 92. Карьеры на равнинах (а) и в горах (б):
/ — вскрышные породы мощностью Нх 2—полезное ископаемое мощностью Я2; 3— забой
(место разработки карьера)
перечных размеров, служащая для добычи полезных ископаемых, в частности, для добычи дорожно-строительных материалов.
Карьеры закладывают как на равнинах, так и в горных местностях. Карьеры дорожно-строительных материалов на равнинах могут занимать довольно большие площади, но обязательно должны иметь небольшие глубины. В горных районах карьеры располагаются на крутых склонах рельефа, их разработка направлена вглубь склона (горы) и поэтому место разработки строительного материала (забой) может быть на уровне окружающей местности (рис. 92). При выборе места, где можно создать карьер, важное значение имеет мощность горных пород, которые перекрывают полезное ископаемое. Эти породы называют вскрышей. При разработке карьера вскрышу приходится удалять, так как она полезным ископаемым не является.
В дорожном строительстве месторождения и карьеры следует разделять на притрассовые (строительные) и базисные (промышленные).
Притрассовые месторождения (карьеры) располагаются около дорог и обслуживают данную дорогу или какой-либо ее отрезок (5—20 км) только во время строительства, а добываемый в них материал вывозят непосредственно на дорогу. Такие месторождения (карьеры) обычно называют строительными.
Базисные месторождения (карьеры) действуют постоянно. Они разрабатываются, как правило, организациями промышленности строительных материалов, в связи с чем часто называются промышленными. Дорожники используют их для получения наиболее качественных материалов (щебень магматических пород, чистый песок и т. д.). Вывозят эти материалы (часто на значительные расстояния) автотранспортом, железной дорогой или водным путем.
Изыскательские работы по месторождениям и карьерам проводят в два этапа: 1) вначале осуществляют их поиск; 2) после того как они обнаружены, проводят их разведку.
Поисковые работы осуществляют одновременно с основными изыскательскими инженерно-геологическими работами, которые проводятся на площади под новую автомобильную дорогу (аэродром). Таким образом, поиском охватывают всю территорию, на которой будут намечены варианты трасс автомобильной дороги.
Поисковые работы проводят:
- 1) по геологическим картам;
- 2) визуальным осмотром местности в районе будущей трассы автодороги и предполагаемого размещения аэродрома с небольшим числом горных выработок (в основном шурфов);
- 3) аэрофотосъемкой.
В зависимости от степени насыщенности территории природными и техногенными материалами ширина полосы, где ведут поиск, составляет до 5—10 км в обе стороны от дороги (аэродрома). В горной местности ширина полосы поиска может составлять десятки или сотни метров.
Конечным результатом поиска является создание плана-схемы вариантов трасс с указанием мест расположения месторождений (разведанных или предполагаемых) и карьеров (промышленных или строительных).
По каждому месторождению (карьеру) необходимо получать следующие сведения: 1) вид строительного материала (глина, песок, камень и т. д.); 2) ориентировочное представление о его количестве и качестве; 3) расстояние до трассы дороги (района аэродрома) и наличие подъездов к ним. На основе этих сведений решают: удовлетворяет ли данное месторождение потребностям строящихся объектов или необходимо проведение дополнительных разведочных работ.
По итогам поисковых работ составляют отчет, в котором кроме общей оценки территории по необходимым для строительства дороги (аэродрома) строительным материалам конкретно указывают места, подлежащие разведочным работам. Этот отчет является составной частью общего отчета по инженерно-геологическим изысканиям на соответствующей стадии.
Разведочные работы по содержанию и объему зависят от того, является ли это месторождение (карьер) притрассовым или базисным.
Все разведочные работы выполняют в период рабочего проектирования на выбранном (оптимальном) варианте трассы автодороги (или окончательно установленного месторасположения аэродрома).
Базисные месторождения (карьеры), которые непрерывно эксплуатируются, обычно хорошо разведаны — известны вид строительного материала, его количество и качество, способы разработки. Дорожники осуществляют разведочные работы лишь в тех случаях, когда имеется необходимость увеличить производительность карьера на время строительства дороги (аэродрома).
Экономическая целесообразность разработки базисных карьеров, как и крупных притрассовых карьеров, во многом определяется соотношением между МОЩНОСТЬЮ вскрышных пород #1 и мощностью полезного ископаемого Я2, т. е. тех пород, которые могут использоваться как строительные материалы. Отношение Я1/Я2 носит название геологического (горного) коэффициента К. Иногда, особенно в дорожно-строительной отрасли, этот показатель называют коэффициентом вскрыши. Ценность месторождения будет тем значительнее, чем меньше величина К. При ^=0 полезное ископаемое залегает на поверхности земли. Такие случаи наиболее часто наблюдаются в притрассовых карьерах.
Разведочные работы на карьерах, как базисных, так и притрассовых, всегда заканчиваются составлением геологических разрезов, которые дают возможность судить о характере залегания слоев полезных ископаемых и величине геологического коэффициента. Важное значение при этом имеет оценка гидрогеологических условий карьеров, которые могут серьезно осложнить их разработку.
В процессе разведочных работ из скважин, обнажений горных пород и шурфов отбирают образцы (пробы) пород для лабораторных анализов. Отобранные образцы должны быть типичными для слоя полезного ископаемого. Для анализов берут: 1) песок в количестве 2—3 кг, 2) гравий — 10—15 кг, 3) камни —до 15—20 кг.
Притрассовые карьеры размещаются: 1) вдоль (по бокам) дорожных трасс и имеют форму вытянутых площадей, 2) около дорожной трассы в виде отдельных участков и 3) непосредственно на трассе дороги в местах будущих выемок (рис. 93). Основной объем разведочных работ по карьерам при строительстве автодорог (аэродромов) приходится именно на притрассовые карьеры.
Состав и объем грунтов в притрассовых карьерах определяют с помощью разведочных выработок — буровых скважин и шурфов. Число буровых скважин (шурфов) и их глубина зависят от характера зале-
Рис. 93. Размещение притрассовых карьеров:
1 — вдоль дороги (боковые); 2— в местах дорожных выемок; 3 — на отдельных участках; 4 — буровые скважины; 5 — трасса автодороги
гания слоев грунтов. Разведочные выработки располагаются на пересечениях линий правильной сетки. Расстояние между ними чаще всего составляет 50— 100 м и зависит от конкретных местных условий.
Количество (объем) строительного материала при дорожно-строительных работах определяют обычно так называемым среднеарифметическим методом. Для этого вначале устанавливают среднюю мощность полезного ископаемого:
Яср = (#1 + Я2 + #з + — + Нп)/п,
где #]5 #2, Н3’ нп ~ мощности слоя полезного ископаемого в отдельных точках (выработках); п — число выработок. Далее с помощью планиметра (или другим способом) определяют площадь полезного ископаемого 5 и устанавливают его объем V
V = БНср.
Этот метод используют, когда инженерно-геологические условия территории относительно простые и, соответственно, форма тела полезного ископаемого также несложная. В других случаях, в относительно сложных условиях или при необходимости проведения более точных расчетов объема полезного ископаемого, применяют более сложные методы, такие как метод геологических блоков, метод разрезов и др. В тех случаях, когда объемы окажутся недостаточными, площади разведочных работ увеличивают и назначают дополнительные буровые скважины. Объемы разведанных грунтов должны быть примерно в два раза больше объемов, которые заявляют строители дорог (аэродромов) по потребности.
При работе с результатами разведки дорожно-строительных материалов необходимо помнить, что понятия «количество (объем)» и «запасы» полезного ископаемого отличаются друг от друга. Запасы — понятие комплексное. Применяется оно в основном к базисным (промышленным) месторождениям (карьерам) и включает в себя:
1) данные по объему, форме и условиям залегания слоя полезного ископаемого в земной коре; 2) сведения о качестве и свойствах минерального сырья; 3) материалы по условиям горно-эксплуатационных работ. В целом это отражает степень геологической изученности месторождения.
В России запасы полезных ископаемых, в том числе и запасы строительных материалов, классифицируют по категориям Л, В и С. Последнюю категорию подразделяют еще на С и С2. В каждое подразделение (категорию) вкладывается следующее содержание:
А — запасы детально разведаны с применением достаточного числа горных выработок, изучено качество строительных материалов, разработана технология их добычи, месторождение готово к разработке;
В — запасы разведаны и оконтурены горными выработками, степень их изученности достаточна для составления проектного задания на разработку карьера;
С — запасы определены на основании редкой сетки разведочных выработок, степень изученности позволяет составлять перспективные планы работ по дальнейшей разведке месторождения;
С2 — запасы оценены предварительно по общегеологическим данным и отдельным разведочным выработкам, что позволяет решить вопрос о целесообразности дальнейшей разведки.
Характерной особенностью разведки строительных материалов при проектировании автомобильных дорог является то обстоятельство, что большое количество грунтов образуется при выработке дорожных выемок. Эти выемки являются своеобразными притрассовыми карьерами. Разведочные работы на участках выемок выполняют в процессе общих инженерно-геологических работ по трассам дорог, что дает вполне достаточные сведения об этих «притрассовых карьерах».
Все разведочные работы по притрассовым карьерам (боковым и отдельным участкам) отражают в отчете, который является составной частью инженерно-геологического отчета по всей трассе автодороги (или площади аэродрома).
При выполнении разведочных работ по притрассовым карьерам особое внимание уделяют сохранению почвенных горизонтов. Разработку притрассовых карьеров всегда начинают со срезки слоев почвы и складирования их в назначенных для этого местах. По окончании разработки карьеров почвы могут быть использованы для их рекультивации.
Источник
Добыча полезных ископаемых составляет важную часть экономики многих государств, включая Россию. Кроме подземной добычи ее важную часть составляет разработка открытым способом — в том случае, если залежи располагаются сравнительно неглубоко. Для этого используются современные технологии, применяется множество видов карьерной спецтехники.
Трудно сказать, когда человечество начало разработку первого в своей истории карьера. Но наверняка это произошло раньше, чем был вырыт первый рудник: добывать ископаемые, находящиеся непосредственно под поверхностью, а то и на ней, — много проще. Так или иначе, будет верным сказать, что человечество эволюционировало вместе с технологией добычи полезных минералов и строительных материалов. В ходе разработки карьера вынимаются и подвергаются сортировке миллионы тонн породы, что не может не влиять на состояние окружающей среды, как минимум — в местном масштабе. Тем не менее потребность цивилизации в полезных ископаемых, начиная с угля и заканчивая драгоценными металлами, век от века растет — а соответственно, растут и масштабы добычи.
К положительным сторонам добычи полезных ископаемых открытым способом нужно отнести такие факторы, как простота подготовительных (вскрышных и других) работ, относительная безопасность участников производственного процесса, сравнительно невысокие затраты на изыскательские работы и собственно добычу, большая производительность при извлечении породы.
Однако, помимо достоинств, у открытой разработки есть и свои недостатки. К ним относятся большое число работающей в карьере техники и оборудования, а значит, и немалые затраты на его приобретение и обслуживание. С углублением котлована растут и расходы на разработку залежей: доставка породы на обогатительный комбинат или пункт предварительной сортировки требует все больших усилий и все более длинных маршрутов для техники, следовательно, растут и затраты компании-разработчика.
Технологический цикл добычи полезных ископаемых открытым способом начинается с геологоразведки.
Необходимо не только найти залежи, но и оценить их объем, состав породы и глубину залегания на предмет целесообразности добычи. Далее проводятся предварительные работы на месте будущих разработок, которые включают в себя осушение (иногда обводнение) территории, прокладку коммуникаций (подъездные пути, электричество, связь, Интернет), выкорчевывание леса и возведение административных и вспомогательных построек. Сколько времени проходит с момента завершения геологоразведки до окончания предварительных работ, однозначно сказать нельзя: это зависит от инвестиций в будущий карьер, характера местности, климатических и погодных факторов.
Карьерный экскаватор
При добыче полезных ископаемых открытым способом — будь то залежи угля, марганца, руд, содержащих металлы, — широко используют карьерные экскаваторы — машины циклического действия, малосвязные или черпающие разрушенные породы и перемещающие их последовательно, прерывая копание на время перемещения породы. Вскрытие месторождений, выемка минералов и их последующая погрузка в транспортные средства — основные функции этих машин. Наряду с гигантскими многоковшовыми шагающими экскаваторами, роторными и канатными электрическими машинами наибольшее распространение при разработках открытым способом получили гидравлические карьерные экскаваторы на гусеничном ходу. Характерный образец машин этого типа — Liebherr R9250. Оснащенный ковшом объемом 15 кубометров, он отлично подходит для работы с самосвалами 100-тонного класса. В зависимости от условий работы модель оснащается дизельной либо электрической силовой установкой мощностью 287 л.с.. Скорость вращения поворотного мотора — 8 оборотов в минуту. Машина может оснащаться как прямой, так и обратной лопатой и способна работать даже при экстремально низких температурах: до минус 40—50 градусов Цельсия. У модели R9250, как и у других машин семейства экскаваторов Liebherr, низкий центр тяжести и большая глубина копания: 8,7 метра. Полная масса машины — 253,5 тонны.
Собственно разработка карьера начинается со вскрышных работ.
Необходимо удалить поверхностный, пустой слой породы, под которой находятся залежи полезных ископаемых. Для этого слоями удаляется грунт, в результате чего по периметру будущего карьера образуется каскад уступов. Если раньше для этих целей широко применялись буровзрывные работы, то сегодня для вскрышных работ чаще используется специальная техника, прежде всего — экскаваторы и погрузчики, а для вывоза пустой породы — карьерные самосвалы. Чем тоньше поверхностный слой — тем более эффективны горные работы: эффективность разработки открытым способом определяется соотношением перемещенной пустой породы к результату добычи. Количество кубических метров снятого грунта делится на тоннаж изъятого ископаемого.
Карьерный погрузчик
Обладающие куда более внушительными размерами, чем их строительные собратья, эти землеройно-транспортные машины на колесном или гусеничном ходу имеют в качестве главного рабочего органа ковш вместимостью до 10 кубометров и более, шарнирно закрепленный на конце стрелы и разгружающийся вперед. К функциям карьерных погрузчиков относятся рыхлительные и бульдозерные работы, резка и транспортировка породы, а также ее загрузка в кузов самосвала.
Современные машины этого типа имеют эксплуатационную массу до 62 тонн. Кроме фронтального ковша в качестве сменного оборудования для карьерных погрузчиков используются бульдозерный нож, рыхлитель, грузоподъемная платформа и другие агрегаты.
Яркий представитель семейства карьерных погрузчиков — модель именитого японского производителя спецтехники Komatsu WA600-8. Этот карьерный погрузчик имеет эксплуатационную массу 55 тонн и оснащен ковшом объема 7,03 кубометра. Оригинальный силовой агрегат погрузчика SAS6D170E-7 мощностью 529 лошадиных сил соответствует стандартам экологичности Tier 4 Final. По словам компании-разработчика, модель имеет целый ряд улучшений сравнительно с техникой Komatsu предыдущих поколений — в частности, у WA600-8 существенно улучшена обзорность кабины, а кресло оператора снабжено функцией подогрева.
Та же самая техника используется для непосредственной добычи полезных ископаемых.
В настоящее время из соображений экономической целесообразности многие процессы автоматизируются — например, все более широкое распространение получают беспилотные самосвалы, не требующие наличия водителя и часто вообще не имеющие кабины; встречаются и объекты, где управление процессом добычи осуществляется полностью дистанционно («умный карьер»). При более высоких первоначальных затратах такой подход гарантирует значительную экономию на оплате труда персонала, а кроме того, обеспечивает безопасность жизни и здоровья сотрудников добывающего предприятия. Тем не менее даже работа в технически оснащенном карьере по-прежнему считается довольно тяжелой, а порой и экстремальной для человеческого организма и поэтому требует высокой физической и психологической стабильности. В то же время вред от работы в карьере для человеческого организма намного меньше, чем в шахте, а уровень травматизма — существенно ниже.
Полезные ископаемые, добываемые в карьере, подвергаются дроблению и сортировке на месте либо транспортируются самосвалами в перевалочные пункты и далее — на обогатительные комбинаты. Вывоз породы из карьера осуществляется карьерными самосвалами; наиболее вместительные образцы этой техники способны транспортировать около пятисот тонн груза — однако по дорогам общего пользования эта техника в силу своих габаритов передвигаться не может, поэтому к месту работ ее обычно доставляют в разобранном виде, по железной дороге, автотрассе или морским транспортом.
Карьерный комбайн
На смену буро-взрывным методам при разработке полезных ископаемых открытым способом все чаще приходят карьерные комбайны, позволяющие не только добывать материал, но и погружать его напрямую в грузовики либо укладывать в отвалы. Если самосвал занят другой работой, срезанная комбайном порода подается по конвейеру и отсыпается в отвал. Именно так работают комбайны компании Wirtgen. В зависимости от угла поворота их конвейера материал может складироваться в один отвал с 3—5 заходов срезания породы. В дальнейшем материал загружается в кузов самосвала с помощью карьерного погрузчика. В зависимости от высоты полученного отвала при помощи фронтального погрузчика возможно выполнять погрузку материала.
Наиболее производительные карьерные комбайны Wirtgen для разработки мягких и крепких горных пород 4200SM рассчитаны на глубину фрезерования до 830 и 650 миллиметров при ширине фрезерования 4,2 метра. Кроме своей основной задачи — добычи угля, известняка, боксита, железной руды, фосфатов, горючего сланца, кимберлита, соли — эти карьерные комбайны способны эффективно работать в строительстве, включая дорожное. В частности, этим машинам по силам выполнение таких функций, как прокладка трассы для строительства дорог и сооружения рельсового пути, точное фрезерование траншей, плоскостей и откосов, фрезерование каналов, формирование подошвы тоннеля и восстановление дорог.
Открытым способом добывают множество ценных ископаемых: уголь, янтарь, мрамор, алмазы — список можно продолжать очень долго. А разработка карьера может продолжаться от нескольких лет до многих десятилетий. Например, разработка карьера Бингем-Каньон в США, штат Юта, глубина котлована которого в настоящее время составляет 1200 метров, продолжается с 1863 года.
На особенности добычи влияет множество факторов; горняки говорят, что двух идентичных карьеров в принципе не существует. Тем не менее большинство этих сооружений имеет ряд общих элементов; среди них — рабочий и нерабочий борт; дно или подошва — нижняя площадка уступа; нижний и верхний контуры; вскрышные и очистные уступы; площадки (ниже откоса, выше откоса); пункт приема породы; транспортные коммуникации. Периметр подошвы карьера определяется удобством добычи породы и ее погрузки в карьерные самосвалы.
Карьерный самосвал
Карьерные самосвалы — разновидность внедорожных машин этого типа, используемых при разработке месторождений открытым способом. Из-за внушительных размеров их эксплуатация на дорогах общего пользования невозможна — и к месту работ их доставляют в разобранном виде. Наиболее целесообразной для тяжелых самосвалов признана схема с двумя осями, с разгрузкой назад, с задним или полным приводом Отдельный подкласс карьерных самосвалов составляют машины шарнирно-сочлененной конструкции, для которых используется трехосная схема. Например, такие, как выпускает южноафриканская компания Bell — каждый пятый шарнирно-сочлененный самосвал в мире сходит с ее конвейера. Главная особенность этой техники — наименьшая масса во всех классах грузоподъемности, что достигается благодаря применению высокопрочного сварного шасси из легированной стали и долговечных, оптимизированных для уменьшения веса, компонентов. Среди других особенностей — мощные двигатели Mercedes Benz и трансмиссии со встроенным замедлителем ZF и Allison. Одна из популярных моделей — BELL B50D с колесной формулой 6×6 при собственной массе 34,5 тонны способна перевозить 45,4 тонны груза. Она оснащена дизельным двигателем мощностью 523 л.с. и 640-литровым топливным баком. Из систем безопасности самосвала нужно отметить автоматический горный тормоз, функцию быстрой заливки топлива с сухим затвором и мониторинг давления в шинах и защиту кабины от опрокидывания и падающих предметов.
Как уже было сказано выше, добыча полезных ископаемых не проходит даром для экологии.
Устройство карьера разрушает ландшафт, складывавшийся веками, а порой и тысячелетиями. Выкорчевываются многие гектары лесов, осушаются озера, производятся взрывные работы, изменяется уровень грунтовых вод. Тысячи кубометров почвы, которые могли бы быть использованы в сельскохозяйственных целях, в ходе вскрышных работ превращаются в отвалы. В зависимости от химического состава грунта отвалы могут содержать элементы, опасные не только для растительного и животного мира, но и для здоровья людей, живущих в близлежащих населенных пунктах. Их жители также страдают от высокого уровня шума, загрязнения сточных вод и выбросов угарного газа от двигателей спецтехники и оборудования.
Несмотря на то, что добыча полезных ископаемых открытым способом наносит ощутимый вред окружающей среде, вредные последствия от нее можно минимизировать. Для этого выработанные карьеры часто заполняют водой, создавая искусственные водоемы, а на прилегающих территориях проводят рекультивацию, засаживая их деревьями и кустарниками. Что касается отвальных пород, из них нередко получают минеральные удобрения, глинозем, а также некоторые виды строительных материалов. Все эти меры позволяют не только частично компенсировать ущерб, нанесенный природе открытыми разработками, но зачастую и получить экономическую выгоду. В мире год от года растет число предприятий, специализирующихся, занятых окультуриванием территории выработанных карьеров и переработкой отходов добычи.
Дробильное оборудование
Нередко первичная переработка полезных ископаемых выполняется непосредственно на месте добычи. Для этого используется различное дробильно-сортировочное оборудование. Например, для обработки известняка и других материалов с невысокой абразивностью хорошо подходят роторные дробилки с горизонтальным валом Telsmith первичного и вторичного дробления. Они сконструированы с большим запасом прочности и имеют цельный массивный ротор, что является их основным преимуществом сравнительно с представленными на рынке аналогами, а также большую камеру дробления, которая обеспечивает высокую производительность и кубовидную форму материала на выходе. Наиболее производительная из дробилок для первичного дробления — Telsmith 6071 с приводом мощностью 800—1500 л.с., которая имеет производительность 1000—2100 тонн в час. Дробилка эксплуатационной массой 89 тонн рассчитана на максимальный размер входящего куска 1422 мм. Из дробилок для вторичного дробления наиболее производительная — Telsmith 5263 с приводом мощностью 300 л.с,; ее производительность достигает 320 тонн в час. Эта модель рассчитана на максимальный размер входящего куска 406 мм; вес дробилки — 22 тонны.
Источник: https://proteh.org/
Источник