CC BY
54
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ 8 і £ 0ч £ 1
МОСКВА ¿МГГУ.я31яянваря*г -я4я—евраляя2000я-одая
Г.Г. Саканцев, 2000
УДК 622.271
Г.Г. Саканцев
ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНА КАРЬЕРНОГО ПРОСТРАНСТВА ПРИ РАЗРАБОТКЕ ГЛУБОКОЗАЛЕГАЮЩИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ОГРАНИЧЕННОЙ ДЛИНЫ С ВНУТРЕННИМ ОТВАЛООБРАЗОВАНИЕМ
Горнодобывающая промышленность России последних десятилетий характеризуется непрерывным повышением трудоемкости и себестоимости добычи большинства видов минерального сырья. Это вызвано тем, что в последние годы произошло значительное истощение запасов большинства разведанных месторождений с благоприятными горно-геологическими и горнотехническими условиями. Отработаны наиболее богатые месторождения и залежи, расположенные в относительной близости от поверхности земли, а также верхние горизонты глубокозалегаю-щих месторождений. Возникла необходимость отработки глубоких горизонтов эксплуатируемых месторождений и особенно более бедных месторождений и месторождений, имеющих большую глубину залегания.
Однако, несмотря на это, доминирующим направлением горной промышленности России на обозримую перспективу остается открытый способ разработки, удельный вес которого в России и странах СНГ вместе взятых достиг 75 %, в США - 83 %, а в мире составляет 72-73 %. В России более 80 % железной руды добывается открытым способом, руд цветных металлов - 70 %, неметаллических полезных ископаемых и строительных материалов - почти 100 %.
Большинство карьеров России по добыче рудного и нерудного сырья имеют большую
глубину, что обусловлено крутыми углами падения, большой глубиной залегания этих полезных ископаемых и достаточной мощностью рудных тел, необходимой для отнесения их к открытой разработке. В частности, углы падения рудных тел основных медно-колче-данных месторождений Урала находятся в пределах 30-90 градусов. Проектная глубина этих и многих других рудных карьеров достигает 300-400 м и более. При этом размеры месторождений по простиранию, которые определяют порядок формирования карьерного пространства и виды применяемого горнотранспортного оборудования, как правило, невелики - редко превышают 1,5-2,0 км. Все это делает эксплуатацию таких месторождений дорогостоящей. Их отработка требует большого расхода финансовых, материальных, трудовых, энергетических, а также земельных ресурсов, необходимых для размещения вскрышных пород, зачастую высокотоксичных. В этих условиях актуальнейшей задачей является изыскание новых технических и технологических решений по сбережению всех видов ресурсов при разработке месторождений полезных ископаемых.
Одним из перспективных технологических решений, направленных на сбережение ресурсов при открытой добыче минерального сырья, является применение технологии ведения горных работ с внутренним отвалооб-разованием.
В настоящее время технология с внутренним отвалообразованием находит достаточно широкое применение в угольной промышленности при разработке относительно неглубоких месторождений большой протяженности. Однако данная технология пока не нашла должного применения при разработке глубокозалегающих месторождений ограниченной длины, какими является большинство месторождений рудного и нерудного минерального сырья.
На рудных карьерах в лучшем случае при-
меняется, где это возможно, размещение вскрышных пород в соседних, ранее отработанных карьерах. А собственно внутреннее отвалообразование с размещением вскрышных пород в собственном выработанном пространстве нашло применение лишь на нескольких карьерах в весьма ограниченных размерах.
Причинами ограниченного применения технологии с внутренним отвалообразованием является целый ряд нерешенных проблем. В настоящее время внутреннее отва-лообразование применяется на рудных карьерах, как правило, по остаточному принципу. Вопросы применения внутреннего от-валообразования возникают и решаются в основном либо в случае отсутствия земельных площадей для размещения вскрышных пород, либо в условиях доработки месторождений, когда создаются естественные условия для размещения вскрышных пород в образовавшемся к этому моменту в отдельной части карьера выработанном пространстве. В результате возможности внутреннего отвалообразования реализуются крайне слабо.
Эффективность технологии с внутренним отвалообразованием в том состоянии, в котором она находится в настоящее время, пока низка и на глубокозалегающих месторождениях ограниченной длины не может выдержать конкуренции с технологией с внешним отвалообразованием. Нет научно обоснованных рекомендаций по ее эффективному применению. Повышение эффективности применения технологии с внутренним отва-лообразованием может быть основано на учете влияния на нее основных определяющих факторов. Необходима разработка научных основ применения данной технологии в условиях глубоких карьеров ограниченной длины. Ее применение может стать основным способом ресурсосбережения и охраны окружающей среды в данных условиях.
Эффективность технологии с внутренним отвалообразованием во многом зависит от порядка формирования карьерного пространства. Порядок формирования карьерного пространства определяет режим вскрышных и добычных работ, объем внутреннего отвалообразования, расстояния перевозки вскрыши во внутренний отвал и, осо-
бенно, способ вскрытия месторождения, определяющий дополнительный разнос бортов для размещения вскрывающих выработок.
Задача выбора экономически целесообразной технологической схемы ведения горных работ с внутренним отвалообразованием характеризуется важной отличительной особенностью - значительной в сравниваемых вариантах величиной и разновременностью затрат и получением доходов. В этих условиях наиболее объективным критерием выбора варианта формирования карьерного пространства является чистый дисконтированный доход [1]. Но в том случае, когда варианты могут быть приведены в сопоставимый вид по годовым объемам и качеству добываемого полезного ископаемого, возможна их оценка по дисконтированным затратам по формуле вида; t=T С • V
Q+eJ
где Vt - объем вскрышных работ в t-ом году; Ct- - себестоимость вскрышных работ в t-ом году, устанавливаемая с учетом основных определяющих факторов, включая оплату использования земельных ресурсов; Енп -коэффициент дисконтирования.
Параметры горных работ при технологии с внутренним отвалообразованием и, в конечном счете, ее эффективность зависят от направления развития горных работ при формировании карьера второй очереди. При этом возможны две основные схемы развития горных работ, в наибольшей степени определяющие характер и параметры формирования всего карьерного пространства. Это продольное и поперечное развитие работ в карьере второй очереди.
Особенностью технологии с внутренним отвалообразованием при продольном развитии горных работ является то, что грузотранспортную связь рабочего борта с ярусами внутреннего отвала осуществляют по транспортным бермам, располагаемым на одном из продольных бортов карьера. На этом борту устраивают внутренние полуста-ционарные съезды для вывозки на поверхность полезного ископаемого. Кроме того, съезды соединяются с рабочими горизонтами транспортными площадками. Полуста-ционарность съездов обусловлена тем, что по мере подвигания фронта работ съезды оказываются под внутренним отвалом. По-
этому на транспортном нерабочем борту взамен выбывающих периодически создают новые полустационарные съезды и наращивают горизонтальные транспортные площадки [2, 3]. Это вносит существенные ограничения на применение технологии с внутренним отвалообразованием с продольным развитием фронта при разработке глубокозалегающих месторождений.
В результате исследований технологии с продольным развитием работ при наиболее типичных для рудных карьеров условиях (угол наклона рабочего борта карьера (ср = 14°, угол погашения борта Y =- 40°, высота уступа hy = 15 м, руководящий уклон автомобильных съездов i = =0,08, ширина транспортных площадок Втр = 26 м) установлено, что коэффициент заполнения выработанного пространства, представляющий отношение объема внутреннего отвала к объему выработанного пространства карьера, в значительной степени зависит от глубины и длины карьера (рис. 1). Так, при длине карьера по дну 600 м коэффициент заполнения выработанного пространства практически равен нулю. То есть при такой длине дна внутреннее отвалообразование с продольным развитием работ невозможно. Чем больше длина карьера, тем больше возможные объемы внутреннего отвалообразова-ния. При этом, чем меньше глубина карьера или отношение глубины к длине дна, тем больше коэффициент заполнения выработанного пространства. Так, если при длине карьера 1400 м и его глубине 360 м коэффициент заполнения составляет 0,12, то при глубине 240 м будет 0,25. Существенно влияет на коэффициент заполнения, как видно из рис. 1, угол откоса рабочего борта. Его увеличение на 1 градус в пределах ре-
альных значений ведет к увеличению коэффициента заполнения на B-12 %.
Эффективность технологии с внутренним отвалообразованием на глубоких карьерах при продольном развитии работ очень низка. При принятых для исследований условиях она значительно менее эффективна по сравнению с технологией с внешним отвалообразованием. Из рис. 2, на котором по оси ординат откладывается отношение (в %)* затрат на разработку месторождения с применением внутреннего отвалообразования к затратам при технологии с внешним отвалообразованием, видно, что затраты на разработку месторождений с применением технологии с внутренним отвалообразованием при продольном развитии работ, несмотря на значительное снижение высоты подъема вскрышных пород, на 40-60 % выше по сравнению с технологией с внешним отвалообра-зованием .
Низкая эффективность технологии с внутренним отвалообразованием обусловлена большим дополнительным разносом бортов для размещения вскрывающих выработок. Затраты на дополнительный разнос бортов, связанный со строительством вскрывающих выработок, достигают в отдельных случаях 50 % от суммарных затрат на разработку.
Вместе с тем анализ показал, что имеются возможности снижения затрат на разработку. Это возможно, главным образом, за счет снижения затрат на вскрытие месторождения. Наиболее эффективным способом снижения затрат, как показали исследования, является снижение ширины вскрывающих выработок. Уменьшение ширины вскрывающих выработок на 10м, включая горизонтальные транспортные площадки, обеспечивает снижение
*здесь и дальше «дисконтированные затраты»
затрат на разработку месторождения на 2025 % (рис. 2).
К повышению эффективности разработки ведет также увеличение угла наклона рабочего борта. Его увеличение на 1 градус приводит к снижению затрат на 1-1,2 %.Однако при этом относительные затраты (в сравнении с внешним отвалообразованием) снижаются только на 0,1-0,15 %. Это вызвано тем, что увеличение углов наклона рабочих бортов обеспечивает улучшение режима горных работ как при технологии с внутренним, так и с внешним отвалообразованием. Некоторое относительное снижение затрат объясняется тем, что увеличение углов наклона бортов в разных случаях ведет к различной степени улучшения режима работ. В целом использование всех указанных возможностей могло бы повысить эффективность технологии с продольным развитием работ и обеспечить в отдельных случаях ее конкурентоспособ-
Рис.1. Зависимость коэффициента заполнения выработанного пространства от длины карьера при продольном развитии работ: 1 - Н=240 м, р=10°; 2 - Н=360 м, р=10°; 3 -Н=240 м, р=18°; 4 - Н=360 м, р=18°
Рис. 2. Зависимость относительных затрат на разработку месторождений от ширины вскрывающих выработок при продольном развитии работ: 1,1’,1” - L=800 м; 2,2’,2” - L=1200 м; 3,3’,3’’ - L=1600 м; 1,2,3 - суммарные затраты; 1’,2’,3’ - затраты на ведение горных работ; 1 ",2 ",3 ”
- затраты на строительство вскрывающих выработок
ность. Но наиболее действенное мероприятие - уменьшение ширины транспортных площадок - требует создания специальных мобильных транспортных средств, обладающих малыми габаритами и высокой производительностью.
Значительное повышение эффективности технологии горных работ с внутренним отва-лообразованием на глубоких карьерах обеспечивает применение поперечного развития фронта. Применение поперечного развития фронта в корне меняет порядок формирования карьерного пространства. Принципиальная схема размещения вскрышных пород в выработанном пространстве в этом случае представлена на рис. 3.
При поперечном развитии горных работ во внутреннем отвале может размещаться вся вскрыша из карьера второй очереди или только ее часть, ограниченная по высоте сверху или снизу, или сверху и снизу. Она представляет выемочный слой. При этом
Рис. З. Принципиальная схема технологии с внутренним отвалообразованием и поперечным развитием горных работ
выемочный слои по высоте может делиться на отдельные выемочные ярусы с целью снижения высоты подъема вскрышных пород и концентрации их по отдельным горизонтам транспортирования и размещения во внутреннем отвале.
Высота выемочного слоя Нсл и выемочного яруса Ья определяется экономическими условиями исходя из минимума затрат на выемку, транспортирование и размещение вскрышных пород во внутреннем отвале.
Другими основными параметрами технологии с внутренним отвалообразованием при поперечном развитии фронта является длина карьера первой и второй очереди. В этом случае они находятся в тесной взаимосвязи. Длина карьера первой очереди должна обеспечивать размещение вскрыши, перемещаемой во внутренний отвал. Вскрышу из каждого выемочного яруса наиболее технологично отсыпать с отметки верхней границы рассматриваемого яруса. При таком подходе объем 1-го выемочного яруса будет представлять во внутреннем отвале наклонный слой под углом естественного откоса с относительной длиной, равной:
[(н? - H-Jctgy - (нi Н¡+1) М] КР
... , , - (2) (2) H^ctg у
где H- расстояние от дна карьера до верхней границы i-го выемочного яруса; i - порядковый номер выемочного яруса, считая сверху; М - мощность рудного тела; уу - угол погашения борта; Кр - коэффициент разрыхления горной массы во внутреннем отвале. Тогда длина карьера второй очереди:
1г =
1 + Sx i=l
(3)
(3)
Соответственно длина карьера первой очереди Ц = I - ^2 (здесь L - суммарная длина дна карьера).
Основываясь на этих зависимостях, можно с некоторым приближением установить факторы, определяющие эффективность
технологии с поперечным развитием работ и их значимость.
Все факторы, определяющие эффективность технологии с внутренним отвалообразованием, можно разделить на регулируе-
мые, частично регулируемые и нерегулируемые.
К регулируемым факторам можно отнести высоту выемочного слоя, высоту выемочного яруса, размещение выемочного слоя по глубине карьера, угол наклона рабочего борта карьера, параметры вскрывающих выработок (ширину, уклон и форму трассы).
В качестве частично регулируемых следует рассматривать длину и глубину карьера. Это связано с тем, что эти факторы определяются на основе технико-экономической оценки при определении границ карьера. Степень их регулируемости основывается на влиянии на эти параметры самой технологии с внутренним отвалообразованием через посредство изменения исходных техникоэкономических показателей (себестои-мости работ, распределении затрат по времени выемки и т.д.). Так, снижение затрат на перевозку вскрышных пород может привести к увеличению глубины и длины карьера. То есть в этом случае возникает задача с обратными связями, требующая специального подхода к ее решению.
Исследованиями, проведенными для типичных условий рудных карьеров, установлено, что приведенные затраты на отработку месторождения с применением технологии с внутренним отвалообразованием и поперечным развитием горных работ зависят, в первую очередь, от расположения объемов, направляемых во внутренние отвалы. Размещение во внутреннем отвале объемов с глубоких горизонтов обеспечивает снижение затрат на транспорт, но требует значительного дополнительного разноса бортов для размещения горизонтальных площадок, обеспечивающих грузотранспортную связь рабочих горизонтов с ярусами внутренних отвалов. Размещение во внутреннем отвале объемов верхних горизонтов незначительно уменьшает транспортные расходы, но зато требует значительно меньших затрат на устройство вскрывающих выработок. Существенное влияние на эффективность технологии с внутренним отвалообразованием оказывает также высота выемочного яруса. При этом при расположении выемочного слоя в верхней части карьера влияние выемочного яруса минимальное. Это четко видно из рис. 4, на котором представлена зависимость отно-
Рис. 4. Зависимость относительных затрат на разработку месторождения от высоты выемочного яруса при Н=360 м и і=0,08: 1 - Исл=0-120 м; 2 - Исл=120-240 м; 3 -Исл=240-360 м; 4 - Исл=0-360 м
сительных затрат на разработку месторождения с внутренним отвалообразованием (в сравнении с внешним) от высоты выемочного яруса. Из того же рис. 4 видно, что высота выемочного слоя, его расположение и высота выемочного яруса оказывают взаимосвязанное влияние на затраты на разработку месторождения.
Анализ достаточно большого числа вариантов (более 25) сочетания различных параметров основных влияющих на затраты факторов, смоделированных методом статистических испытаний, позволил установить множественную корреляционную зависимость относительных затрат от основных факторов:
З=92+0,00478НсЛНср -
-0,000000383(НсЛНр)2 - 0,18ha, % (4)
где Нсл - высота выемочного слоя в % от конечной глубины карьера; Нср - средняя глубина расположения выемочного слоя в % от конечной глубины карьера; h„ - высота выемочного яруса, м.
Корреляционное отношение зависимости
(4) составляет 0,75, среднее квадратическое отклонение определения относительных затрат - 2,23 %. Однако для сопоставления с технологией с внешним отвалообразованием эта связь недостаточно высока. Она отражает только степень влияния факторов, но не может стать основой для их оптимизации.
Более надежную связь обеспечивают корреляционные зависимости, устанавливаемые для конкретных значений высоты выемочного яруса.
Для высоты выемочного яруса hf = 60 м зависимость относительных затрат имеет вид:
З=93+0,00563НелНер --0,000000433(НелНер)2, % (5)
Для высоты выемочного яруса Ня = 120 м:
З = 95 + 0,0014НслНср,% (6)
Корреляционное отношение зависимости
(5) равно 0,93, среднее квадратическое отклонение вычисления относительных затрат составляет 1,53 %. Для зависимости (6) эти величины соответственно равны 0,95 и 0,B4 %. Эти зависимости справедливы для карьеров с длиной дна B00-1000 м. Увеличение длины дна на каждые 200 м приводит к снижению относительных затрат в среднем на
0,64 %, уменьшение длины ведет к соответствующему их увеличению.
Заметное влияние на относительные затраты оказывает также угол наклона рабочего борта карьера. Увеличение угла наклона рабочего борта на 10° обеспечивает снижение затрат на 5 %. Однако это меньше, чем при технологии с внешним отвалообразова-нием, при котором такое же увеличение угла ведет к снижению затрат на 10 %. Это говорит о том, что в целом увеличение угла наклона рабочего борта ведет к снижению затрат на разработку как при внешнем, так и при внутреннем отвалообразовании, но уменьшает область применения последнего.
Конкурентоспособность технологии с внутренним отвалообразованием при поперечном развитии работ может быть значительно повышена за счет повышения уклона вскрывающих выработок, доля которых в затратах колеблется от B до 14 %. Поэтому увеличение уклона с B0 %о до 160 %о может обеспечить снижение затрат на разработку от 4 до 7 %.
Таким образом, на эффективность технологии с внутренним отвалообразованием при поперечном развитии работ оказывает существенное влияние величина и расположение выемочного слоя, высота выемочного яруса,
уклон вскрывающих выработок, угол наклона рабочего борта, а также длина дна карьера. Первые четыре фактора являются в значительной степени функцией способов вскрытия и обеспечения грузотранспортной связи рабочих уступов с внутренним отвалом. Поэтому для повышения эффективности и расширения области применения технологии с внутренним отвалообразованием в услови-
ях глубокозалегающих месторождений необходимо изыскание ресурсосберегающих схем вскрытия применительно к условиям данной технологии. Это позволит значительно расширить область применения внутреннего отвалообразования при разработке большинства глубокозалегающих месторождений рудного и нерудного минерального сырья.
1. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования. Утв. Госстроем России № 7-12/47 31 марта 1994, М: 1994.
- 80 с.
2. Барабанов В.Ф„ Томаков
П.И., Дергачев И.И. Разработка крутых и наклонных пластов открытым способом с размещением пустых пород в выработанном пространстве // Уголь, 1959, №12.-С. 12-15.
3. Томаков П.И. Система разработки крутых пластов уг-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ля с внутренним отвалообра-зованием / Новые направления в технике и технологии открытых горных работ // Сборник трудов МИРГЭМ. М.; Недра, 1965. - С. 67-73.
Саканцев Г.Г. - кандидат технических наук, Институт горного дела Уральского отделения РАН.
