Principer och metoder för utformning av dagbrottsgränser
Dagbrottsbrytning Dagbrott är utvinning av malm i en exponerad (yta) miljö med hjälp av specificerad schaktnings- och transportutrustning. Dess utmärkande drag är att för att utvinna malm måste det omgivande berget och överjordiska lagret avskiljas och malmen eller berget transporteras till ytan via transportvägar yta eller underjordiska gruvor. Denna metod används ofta för att utvinna metallmalmer, metallurgiska råvaror, byggmaterial, kemiska råvaror och kol.
Jämfört med underjordsbrytning har dagbrottsbrytning – eftersom den sker i ett exponerat utrymme – följande egenskaper:
(1) Arbetsutrymmet är relativt obegränsat, vilket underlättar användningen av stor mekaniserad utrustning. Hög grad av mekanisering och automatisering kan öka gruvintensiteten och malmproduktionen.
(2) Hög arbetsproduktivitet.
(3) Lägre gruvkostnader, vilket gör storskalig exploatering av låghaltiga malmer möjlig.
(4) Lägre malmförlust och utspädning, vilket är gynnsamt för utvinning av mineralresurser.
(5) Kortare utvecklingstid; kapitalutgifterna per årligt ton malm är lägre än för underjordsbrytning.
(6) För varma eller brännbara malmkroppar kan dagbrott vara säkrare än underjordsbrytning.
(7) Bättre arbetsförhållanden och generellt säkrare verksamhet.
(8) Dagbrottsdrift producerar betydande damm- och fordonsutsläpp; sprängsten som innehåller skadliga komponenter kan förorena luft, vatten och mark i viss utsträckning.
(9) Stora volymer jord deponeras på soptippar; avfallsanläggningar upptar betydande mark (berg, jordbruksmark) och kan lokalt försämra miljön.
(10) Väderförhållanden som snö, is och kraftigt regn kan påverka driften i dagbrott negativt.
Att definiera gruvgränser (gropsgränser) är grunden för design av dagbrott och en förutsättning för ekonomiskt effektiv och säker exploatering. Forskare och praktiker världen över har länge studerat optimering av gropsgränser och producerat betydande resultat. Eftersom dagbrott möter komplexa, variabla geologiska kroppar, oregelbundna haltfördelningar och förändrade ekonomiska parametrar – icke-linjära och dynamiska faktorer – är det dock fortfarande svårt att bestämma de optimala gropsgränserna. Denna artikel behandlar viktiga frågor inom optimering av gropsgränser: den granskar tidigare arbete, analyserar dynamiska egenskaper hos gropsgränser, undersöker de viktigaste faktorerna som påverkar den slutliga stabila lutningsvinkeln, föreslår metoder för att förutsäga en rimlig slutlig lutning och studerar snabba metoder för att generera gropsgränsserier och bestämma den slutliga gropsgränsen. Studien är grundad i ingenjörspraxis och aktuell utveckling och använder tvärvetenskaplig teori och metoder, och ger systematisk, djupgående forskning med betydande teoretiskt och praktiskt värde.
Designprinciper för dagbrottsgränser Storleken på dagbrottsgränserna avgör mängden malm och jordlager som ska avlägsnas. När dagbrottsgränserna fördjupas och expanderar ökar malmmängden, men jordlageret ökar också avsevärt, vilket gör att avrymningsgraden ökar. Att bestämma dagbrottsgränser innebär därför i huvudsak att kontrollera avrymningsgraden så att den inte överstiger den ekonomiskt acceptabla avrymningsgraden.
Flera typer av avdrivningsförhållanden är relaterade till gropens gränsstorlek. Vilket avdrivningsförhållande som ska kontrolleras debatteras; artikeln presenterar tre historiskt tidiga och representativa akademiska synpunkter och deras motsvarande designkriterier:
(1) Avrivningsgraden vid gropsgränsen får inte överstiga den ekonomiska avrivningsgraden. Detta kriterium kräver att avrivningsgraden vid gropsgränsen inte överstiger den ekonomiskt rimliga avrivningsgraden. Dess kärna är att säkerställa att den marginella ekonomiska nyttan av dagbrottsbrytning inte är sämre än den vid underjordsbrytning allt eftersom gropen fördjupas. För kontinuerliga malmkroppar med tunn jordlagring tenderar denna princip att maximera den totala vinsten från fyndigheten. Eftersom den syftar till att optimera det totala ekonomiska resultatet och är enkel att beräkna och tillämpa, används ≤-kriteriet i stor utsträckning vid manuell gropsgränsdesign både nationellt och internationellt. För fyndigheter med tjock eller diskontinuerlig jordlagring kanske detta kriterium dock inte är lämpligt; det är således ett nödvändigt men inte tillräckligt villkor för en optimal gropsgräns.
(2) Genomsnittlig avrivningsgrad får inte överstiga den ekonomiska avrivningsgraden. Detta kriterium syftar till att kontrollera den totala ekonomiska prestandan för dagbrott så att den inte är sämre än underjordsbrytning. Målet är att maximera utvinningsbar malm inom gruvgränsområdet samtidigt som det säkerställs att den totala dagbrottsekonomin inte sjunker under den för underjordsbrytning. Eftersom det använder ett aritmetiskt medelvärde kan vissa lokala områden ekonomiskt underprestera i förhållande till underjordiska metoder. Kriteriet ≤ genomsnitt kan användas tillsammans med kriteriet ≤ gruvgräns: efter att gruvan har avgränsats med gruvgränskriteriet bör den genomsnittliga avrivningsgraden inom den gränsen kontrolleras. Detta kriterium tillämpas ofta för högvärdiga, sällsynta mineraler eller små fyndigheter när det är önskvärt att maximera dagbrottsutvinning (för att minimera utspädning och malmförlust). Det används också ofta för dimensionssten- och kalkstensbrott.
(3) Produktionsavrymningskvoten får inte vara större än den ekonomiska avrymningskvoten Produktionsavrymningskvoten återspeglar den faktiska avrymningskvoten till malm som upplevs under gruvans produktionscykel. Genom att tillämpa kriteriet ≤ produktion säkerställs att det ekonomiska resultatet i dagbrott inte är sämre än underjordsbrytning i något produktionsskede. Produktionsavrymningskvoten kan vara en jämviktsproduktionskvot eller en obalanserad (tidsberoende) avrymningskvot. Gruvgränserna som härrör från produktionskriteriet är mindre än de från gruvgränskriteriet men större än de från medelvärdeskriteriet, och leder därmed till högre initiala avrymnings- och utvecklingsinvesteringar. Eftersom produktionsavrymningskvoten är svår att definiera exakt och dess samband med djupet är komplext, är detta kriterium mindre praktiskt och används sällan.
Element för dagbrottsbrytning Begränsningar 3.1 Slutlig lutningsvinkel och lutningsstruktur Den slutliga (ultimata) groplutningsvinkeln påverkar produktionssäkerheten och den ekonomiska prestandan i hög grad. Ur ett ekonomiskt perspektiv är en brantare lutning (större vinkel) att föredra eftersom en mindre lutningsvinkel ökar avfallsborttagningen och avrensningsförhållandet. För stora lutningsvinklar kan dock orsaka instabilitet och äventyra säkerheten. Därför måste den slutliga lutningsvinkeln uppfylla både stabilitets- (säkerhets-) och drifts- (gruvdrifts-) krav.
Stabilitetskravet är att den slutliga lutningsvinkeln, baserat på bergmassans egenskaper och stabilitetsanalys, måste säkerställa lutningsstabilitet. Under konstruktionsstadiet för gruvgränsen väljs slutliga lutningsvinklar generellt med hänvisning till liknande gruvor och genomgår sedan preliminär stabilitetsanalys och förenklade beräkningar med tillgängliga data.
3.2 Bottenbredd (gropgolv) och placering (1) Minsta bottenbredd och värden Den minsta gropsgolvsbredden måste tillåta gruv- och transportutrustning att fungera och utföra säkert arbete. Den bör i allmänhet inte vara smalare än startdikets (initiala skärnings) bredd; minimivärdet bestäms av utrustningsspecifikationer och beräkningar av transportlayout.
(2) Bottenplacering och geometriskt lika (självliknande) gropsgränser Det grundläggande kriteriet för att lokalisera gropsgolvet är att minimera den genomsnittliga avrensningsgraden i gropen. Ibland justeras gropsgolvet i förhållande till bergmekaniska eller strukturella zoner så att slutliga lutningar undviker sprickiga eller strukturellt svaga zoner, vilket förbättrar stabiliteten och förenklar sprängning.
Beroende på malmkroppens horisontella tjocklek finns det tre möjliga positioner för gropsgolvet:
Om malmkroppens horisontella tjocklek är mindre än den minsta bottenbredden, rita gropens golvplan till den minsta bredden.
Om den horisontella tjockleken är lika med eller något överstiger den minsta bottenbredden, sätt gropens golvbredden lika med malmkroppens tjocklek.
Om malmkroppens horisontella tjocklek vida överstiger den minsta bottenbredden, använd den minsta bottenbredden.
Den valda positionen bör maximera utvinningsbar malm, minimera avfall och producera bästa malmkvalitet – dvs. maximera ekonomisk nytta.
Eftersom faktiska gropsbottnar har bredder som inte är noll, är geometriskt liknande gropsgränser inte helt tillämpliga. Vid dimensionering, bestäm gropsgolvets placering utifrån följande fall: (i) på plan terräng kan både tjocka och tunna malmkroppar bilda geometriskt liknande gropsgränser; (ii) på lutande terräng, om den horisontella tjockleken är större än minimibredden är gropen likformad, medan tunna malmkroppar med en horisontell tjocklek som är mindre än minimibredden måste uppfylla ytterligare begränsningar.
(3) Dimensioneringsmetod för geometriskt liknande gropgränser En geometriskt liknande gropgräns är den teoretiska optimala bottenpositionen som minimerar den genomsnittliga avrensningsgraden – i praktiken den optimala bottenpositionen när bottenbredden närmar sig noll.
3.3 Gropdjup Kriterier för gropgränsdesign avgör i huvudsak det ekonomiskt motiverade gropdjupet. Beroende på malmkroppens kontinuitet och stryklängd kan gropar klassificeras som långa gropar eller korta gropar. Om förhållandet mellan längd och bredd överstiger 4:1 är gropen "hlång" och malmvolymen i ändväggen är relativt liten; vid manuell dimensionering är bidraget från ändväggen ofta försumbart. Om förhållandet är mindre än 4:1 är gropen "hkort" och malmen i ändväggen kan stå för 15–20 % eller mer av totalen och måste beaktas.
(1) Preliminär bestämning av groptjup på geologiska tvärsnitt Tre metoder finns för att bestämma groptjup på geologiska tvärsnitt: (a) analytisk metod, (b) grafisk metod och (c) plananalysmetod (schemaanalys). Plananalysmetoden är den mest använda. Dess steg är: 1) föreslå flera kandidatgroptjup; 2) beräkna avgränsningsförhållandena mellan gropar och gränser för varje djup; 3) plotta analyskurvor och välj ett initialt djup.
(2) Justera bottenhöjden på tvärsnitten Justera gropens bottenhöjd på tvärsnitten; den justerade höjden är det dimensionerande gropens djup.
(3) Avgränsa dagbrottsgränserna (manuell metod) Manuell avgränsning av dagbrottsgränser innefattar tre huvudsteg:
Rita den teoretiska omkretsen av gropsgolvet vid konstruktionsdjupet: rita gropsgränsen vid konstruktionsdjupet på varje tvärsnitt, längsgående snitt och hjälpsnitt; plotta sedan en plan över den stratigrafiska horisonten på den höjden. Projicera gropsgolvets ändpunkter från snittvyerna på planen och sammanfoga dem för att erhålla den teoretiska golvomkretsen. Jämna ut polylinjen till en kurva för att bilda den konstruktionsmässiga gropsgolvets omkrets. Kontrollera att golvdimensionerna uppfyller kraven för transportlayout och utrustningens drift – rakhet, krökningsradier och golvlängd måste uppfylla tekniska standarder.
Rita gropens gräns: på den topografiskt-geologiska planen, plotta den designade golvomkretsen och rita sedan, inifrån och ut, bänktåer och krönlinjer för varje bänk (dvs. bänkar och sluttningar) enligt de valda sluttningselementen. Försänkta delar av gropen bildar slutna bänktåer på planen; sluttningsdelar kan ha bänktålinjer som binder till konturlinjer med samma höjd.
Rita den slutliga gropplanen: på gropgränsplanen, placera ut transport- och utvecklingsvägar (linjedragning), rita sedan nerifrån och utåt bänkytor och plattformar för den slutliga konfigurationen. Utforma även rampplattformar mellan bänkar där det behövs. Kontrollera och justera den ursprungliga gropgränsplanen eftersom vägdragning och utvecklingsbegränsningar kan mildra lutningsvinklar och öka avrivningen.
(4) Rita tvärsnitt vid gropgränsen. Använd den slutliga gropplanen och rita tre representativa tvärsnitt i lämpliga skalor. Den längsgående sektionslinjen ritas genom planens viktigaste bottenbreddpunkter; använd bänkbredderna och projicera successivt uppåt för att komplettera tvärsnitten.
Bestämning och optimering av dagbrottsgränser Med hjälp av de allmänt tillämpade konstruktionsprinciperna som beskrivs ovan är metoden och stegen för bestämning och optimering av dagbrottsgränser följande:
(1) Bestäm gropens djup. För avlånga gropar, bestäm först djupet på varje geologiskt tvärsnitt och justera sedan bottenhöjden med hjälp av längsgående sektioner. För korta gropar med stora djup-till-bredd-förhållanden, beakta effekterna av gavelväggens expansion. Om djupet inte kan bestämmas direkt från sektionerna, beräkna gropgränsavrivningsförhållandena på planvyer för flera kandidatdjup och välj det djup där gropgränsavrivningsförhållandet är lika med det ekonomiskt rimliga avrivningsförhållandet.
(2) Bestäm gropens golvomkrets enligt planen. Gropens golvbredden kan vara större eller mindre än malmkroppens horisontella tjocklek, men måste uppfylla minimibredden. Principen är att maximera malmutvinningen samtidigt som avfall minimeras. Den minsta bottenbredden bör säkerställa säker produktion och normal drift av gruv- och transportutrustning; i praktiken motsvarar den startdikets bredd och beror på metod och utrustning – vanligtvis inte mindre än 20–30 m för säkerhets skull.
Efter att bottenhöjden och ändlägena har fastställts, rita den teoretiska golvomkretsen genom att projicera ändpunkter från tvärsnitten på den stratigrafiska planen vid konstruktionshöjden och ansluta dem. För transportens bekvämlighet bör golvomkretsen vara så rak som möjligt; böjda delar måste uppfylla minimikraven för krökningsradier för utrustning.
(3) Bestäm sluttningens struktur och sluttningsvinklar. Sluttningens stabilitet är avgörande för säker produktion. Korrekt val av sluttningsvinkel är det primära sättet att säkerställa stabilitet. Inom ramen för tekniska och stabilitetskrav, använd den brantaste möjliga slutliga sluttningsvinkeln för att minimera avfallshantering. Vid fastställande av sluttningsvinklar, beakta bergmassans egenskaper, geologisk struktur, hydrogeologi, brytningsmetod och utrustning, planerad gruvlivslängd och klimat. Utför där så är möjligt bergmekaniska tester och utför beräkningar av sluttningsstabilitet. Eftersom befintliga beräkningsmetoder inte alltid är perfekta, väljs slutliga sluttningsvinklar i praktiken ofta med hänvisning till analoga gruvor och empiriska data.
(4) Rita den slutliga planvyn. Stegen inkluderar:
Överför den fastställda omkretsen av gropens golv till transparent papper och lägg den över den topografiskt-geologiska kartan; rita bänkens tår inifrån och ut enligt lutningselementen.
Lägg ut transportvägar.
Granska och revidera den preliminära slutliga gropplanen.
Projicera den slutgiltiga planen på tvärsnitt så att sektionsgränserna överensstämmer med planen. Eftersom lutningsvinkel, golvbredd och djup starkt påverkar de slutliga gropgränserna kan ett dynamiskt utvärderingsindexsystem etableras för att modellera och optimera dagbrottsgränser. Förbättrade BP-neurala nätverksalgoritmer kan användas för att konstruera prediktionsmodeller för stabila slutliga lutningsvinklar. Tredimensionell datorsimulering kan stödja effektiv, visuell schemaläggning av produktionen. Datorsimuleringsmetoder möjliggör ytterligare optimering av gropgränser.
Slutsats Dagbrott använder specificerad grävnings- och transportutrustning i ett exponerat arbetsutrymme. Den slutliga gropluntvinkeln, gropsgolvets bredd och plats samt gropsdjupet påverkar produktionssäkerheten och ekonomin avsevärt. Att bestämma gropgränser är en komplex uppgift som kräver att grundläggande principer följs samtidigt som man flexibelt anpassar sig till platsspecifika förhållanden för att uppnå en rimlig design. Denna artikel granskade viktiga frågor inom optimering av gropgränser, analyserade egenskaper hos dagbrottsgränser, undersökte primära indikatorer som påverkar den stabila slutliga lutningsvinkeln och metoder för att förutsäga en rimlig slutlig lutning, samt diskuterade metoder för att optimera gropgränser.
