CC BY
51
УДК 622.274.53::622.013.364
О СОВРЕМЕННОМ СОСТОЯНИИ И ПЕРСПЕКТИВАХ ШВЕДСКОГО ВАРИАНТА СИСТЕМЫ ДОБЫЧИ РУД С ПОДЭТАЖНЫМ ОБРУШЕНИЕМ
Евгений Павлович Русин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории прикладной геомеханики, тел. (383)205-30-30, доп. 332, e-mail: gmmlab@misd.ru
Станислав Борисович Стажевский
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, зав. лабораторией прикладной геомеханики, тел. (383)205-30-30, доп. 331, e-mail: gmmlab@misd.ru
Для современного этапа развития шведского варианта технологии добычи руд с подэтажным обрушением характерно стремление к улучшению ее экономических показателей за счет увеличения масштаба системы. Эта тенденция, в совокупности с внутренне присущими технологии недостатками, приводит к существенным нарушениям формы зоны течения раздробленной руды при выпуске из отбитого слоя, нестационарному ее истечению, раннему началу разубоживания и скачкам содержания пустых пород в горной массе в ходе выпуска, в итоге - к ухудшению показателей полноты и качества извлечения полезного ископаемого. Для установления условий возникновения этого так называемого нарушенного типа течения и разработки способов его предотвращения с целью дальнейшего совершенствования рассматриваемого варианта системы необходимы специальные исследования.
Ключевые слова: добыча руд, подэтажное обрушение, торцовый выпуск, нарушенное течение, потери руды, разубоживание.
SWEDISH VERSION OF SUBLEVEL CAVING ORE MINING SYSTEM: STATE-OF-THE-ART AND PROSPECTS
Evgeny P. Rusin
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D., Senior Researcher, Applied Geomechanics Laboratory, tel. (383)205-30-30, extension 332, e-mail: gmmlab@misd.ru
Stanislav B. Stazhevsky
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, D. Sc., Head of Applied Geomechanics Laboratory, tel. (383)205-30-30, extension 331, e-mail: gmmlab@misd.ru
Under consideration is the Swedish version of the sublevel caving ore mining method. It's typical of its contemporary state to improve the production economics by means of enlarging the mining method scale. The trend in combination with the sublevel caving internal inherent drawbacks creates conditions for extreme disturbance of the broken ore flow zone shape, nonsteady flow, early start of dilution, and waste content pulsation during blasted ring draw, these resulting in worsening the overall recovery and dilution rates. The demand is explicit for a special target research to determine conditions for the so-called disturbed type flow appearance and to find ways for its prevention with the purpose of further perfection of the mining method version under consideration.
Key words: ore mining, sublevel caving, frontal ore draw, disturbed flow, ore loss, dilution.
Система подземной отработки полезных ископаемых с подэтажным обрушением и торцовым выпуском под обрушенными породами [1] (далее - СПО) является одной из эффективных систем массовой добычи руд. Ее современный «шведский» вариант [2], называемый так в соответствии с регионом происхождения [3] - один из наиболее распространенных в мире (рис. 1 [4]). В соответствии с этим вариантом отрабатываемый блок делят на подэтажи, каждый из которых имеет собственный выпускной горизонт. Отработку подэтажей ведут в нисходящем порядке ромбовидными в вертикальном поперечном сечении 2-2' панелями. Рудный массив разбуривают вертикальными или крутонаклонными веерами восходящих скважин по всей длине панели из ортов. Взрывание производят послойно в отступающем порядке. Каждый последующий слой взрывают после выпуска горной массы, образованной в предыдущем слое. Доставку отбитой руды до рудоспуска осуществляют погрузочно-доставочными машинами.
Благодаря своим общеизвестным достоинствам [2, 5], СПО приобрела заслуженную репутацию «малозатратной фабрики руды» [5] и получает все большее распространение в мире. С расширением использования на подземных горных работах самоходного оборудования она начала укореняться на таких предприятиях России как: АО «Апатит», ПАО «Северсталь», АО «ГМК «Дальполиметалл», ОАО «Евразру-да», а также на рудниках Казахстана и Киргизии.
Дальнейшего повышения эффективности СПО стремятся достичь за счет увеличения ее масштабов [3, 6]. Так, за период с 1983 по 2000 гг. на железных рудниках ЬКЛБ высоту подэтажа удвоили, мощность отбиваемого слоя и диаметр взрывных скважин увеличили на 70% и 80 % соответственно. В результате тоннаж руды в единичном слое возрос десятикратно. В настоящее время на данных предприятиях высота подэтажа достигает 28.5 м, а в некоторых случаях - 30 м [3]. Однако при этом, как выяснилось, создаются условия для ухудшения показателей извлечения и технико-экономических в целом передовой системы. Основную причину тому специалисты видят в возрастании, в связи с указанными изменениями, нестационарности режима течения горной массы [3, 7], что приводит к отклонению формы фигуры выпуска от проектной [8, 9].
Рис. 1. Шведский вариант СПО
Ранние рекомендации по конструированию системы опирались на принятую в свое время теорию эллипсоида выпуска [2, 8, 9]. Она была создана на основе наблюдений за процессом истечения сыпучих материалов из бункеров и предполагала равномерное стационарное движение перерабатываемого продукта в емкости вплоть до выхода из нее. Однако практика крупномасштабной добычи руды с использованием СПО [6, 10], а также последние натурные эксперименты [11] дали повод сомневаться в применимости теории эллипсоида выпуска при дальнейшем совершенствовании системы. На это, прежде всего, указывают чрезвычайно раннее поступление в выпускную выработку пустой породы и всплески ее повышенного содержания в горной массе по ходу извлечения раздробленного полезного ископаемого [12]. Шведские горняки отмечают, что обычный для модельных экспериментов плавный рост разу-боживания в процессе выгрузки отбитого слоя в условиях крупномасштабной СПО является скорее исключением, чем правилом [12]. Российские рудники, принявшие на вооружение шведский вариант СПО в практически калькированном виде, испытывают те же сложности.
Новейшие промышленные эксперименты [11] показали, что при геометрических размерах, характерных для крупномасштабной СПО, фигура выпуска имеет неправильную отличающуюся от эллипсоида и изменяющуюся от слоя к слою форму. В качестве примера на рис. 2 [11 - с изменениями] приведены три сечения области выпуска руды, полученные в одном из натурных опытов.
а
б
в
Рис. 2. Конфигурация областей выпуска в отбитом слое в трех плоскостях параллельных плоскости взрывных скважин и отстоящих от нее на:
а) 1,95 м; б) 1,3 м; с) 0,65 м
Течение, характеризующееся вышеуказанными особенностями и отличающееся от «лабораторного» стационарного, получило название нарушенного (disturbed flow) [13]. Его особенности изучались в работах [10, 11, 14] и ряде других, но до сих пор исчерпывающего объяснения так и не получили. По мнению авторов [3], недостаточное понимание фундаментальных процессов, происходящих в СПО, не позволяет современную конструкцию системы с подэтажным обрушением считать оптимальной.
Анализ механики гравитационного торцового выпуска в СПО заставляет предположить, что проявлению продемонстрированных выше нежелательных явлений, по-видимому, способствует, в частности, малая величина отношения мощности a отбиваемого слоя к его высоте h. Вероятно, для горной массы с конкретными физико-механическими характеристиками, свойствами и грансоставом должно существовать собственное пороговое значение отношения kh = a/h, с которого в процессе ее выпуска начнет проявляться неустойчивость. Подтверждением этому могут служить результаты полномасштабного промышленного эксперимента, проведенного компанией Хебей Коп-пер Майн (Hebei Copper Mine) на руднике Лонгтан (Longtan), Китай [15]. В нем при исходных величинах h ~ 50 м и a = 8.4 м, то есть при коэффициенте kh = 0.17, получена форма фигуры выпуска, близкая к проектному эллипсоиду. Вместе с тем, при kh = 0.060.08 (то есть в 2.1-2.8 раза меньшем) в аналогичных по масштабу шведских и австралийских экспериментах зафиксирована нерегулярная форма фигуры выпуска [11, 12].
Весьма существенным аспектом из тех, что оказывают отрицательное влияние на стационарность процесса истечения руды, является ее неконтролируемое дробление при взрывной отбойке, а отсюда, появление в выпускаемом материале негабаритов [3, 14, 16]. Отмеченные негативные факторы накладываются на внутренние недостатки присущие самой системе. Такими являются: значительная величина контактной поверхности между отбитым полезным ископаемым и обрушенной пустой породой, а также близость этого контакта к месту погрузки горной массы. В крупномасштабной СПО все перечисленное приводит к значительным отклонениям формы фигуры выпуска отбитой руды от идеальной теоретической, нестационарному ее истечению из отрабатываемых геопространств, в итоге - к ухудшению показателей полноты и качества извлечения полезного ископаемого.
Изложенное свидетельствует о том, что знаний, накопленных к настоящему времени в области механики гравитационного течения разрушенных горных пород, для создания оптимальных вариантов системы подэтажного обрушения недостаточно. К такому же выводу приходят «законодатели» в области СПО - шведские горняки, а с ними специалисты ряда других стран [3, 7, 17, 18]. Это же подчеркивается в «Стратегической программе исследований и инноваций шведской горнодобывающей и металлургической промышленности» [19], рассчитанной на период до 2030 г. В программе делается особый акцент на том, что область науки, изучающая поведение фрагментированной горной породы, все еще находится в «зачаточном состоянии». Поэтому, следуя [19], для улучшения показателей извлечения руд при добыче требуется приложение серьезных усилий в сфере НИР и ОКР.
Таким образом, возрастающий интерес к технологии подэтажного обрушения, ее перспективность, нацеленность на выход в совершенствовании системы на передовые в мире позиции требуют быстрейшего развития в стране работ по механике гравитационного течения существенно гетерогенных сыпучих сред. Это означает необходимость проведения в данной области более широких и детальных, чем ранее, экспериментальных и теоретических исследований.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Dunstan, G., Power, G. Sublevel Caving. - Darling., P. (ed.) SME Mining Engineering Handbook, 3rd Edition. - Littleton, CO, USA: Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, Inc., 2011. - Pp. 1417-1436.
2. Kvapil, R. The mechanics and design of sublevel caving systems. - Gertsch, R.E. and Bullock, R.L. (eds.) Techniques in underground mining: Selections from underground mining
methods handbook. - Littleton, CO, USA: Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, Inc., 1998. - Pp. 621-653.
3. Hustrulid, W., Kvapil, R. Sublevel Caving - past and future. - Schunnesson, H., Nord-lund, E. (eds) Proceedings of the 5th International Conference and Exhibition on Mass Mining, MassMin 2008, 9-11 June 2008, Lulea, Sweden. - Lulea University of Technology Press, Lulea, Sweden. - 2008. - Pp. 107-132.
4. Kvapil, R. Sublevel Caving. - Hartman, H.L. (ed.) SME Mining Engineering Handbook, 2nd Edition. - SME, Littleton, Colorado. Littleton, CO, USA: Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, Inc., 1992. - Pp. 1789-1814.
5. Bull, G., Page, Ch. Sublevel caving - today's dependable low-cost 'ore factory'. -Chitombo, G. (ed.) Proceedings MassMin 2000, 29 October to 2 November 2000, Brisbane, Queensland, Australia. - Australia, Victoria, Melbourne: Australasian Institute of Mining and Metallurgy. - 2000. - Pp. 537-556.
6. Rustan A. Kompendium I Skivras - Ochblockrasbrytning. Tekniska Hogskolan i Lulea, 1994, 125 p.
7. Sustainable mining and innovation for the future - research, development and innovation program. August 2012. - Lulea, Sweden: Rock Tech Centre, Lulea University of technology, 2012. -51 p.
8. Kvapil, R. Gravity flow of granular materials in hoppers and bins // Int. J. Rock Mech. Mining Sci. - 1965. - Vol. 2. - No. 1. - Pp. 25-41.
9. Kvapil, R. Gravity flow of granular materials in hoppers and bins in mines - part II: coarse materials // Int. J. Rock Mech. Mining Sci. - 1965. - Vol. 2. - No. 3. - Pp. 277-304.
10. Hustrulid, W. Method selection for large scale underground mining. - Chitombo, G. (ed.) Massmin 2000 . - AusIMM, Melbourne. - 2000. - Pp. 29-56.
11. Brunton, I.D., Fraser, S.J., Hodgkinson, J.H., Stewart, P.C. Parameters influencing full scale sublevel caving material recovery at the Ridgeway gold mine // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. - Vol. 47. - No. 4. - 2010. - Pp. 647-656.
12. Quinteiro, C., Hustrulid, W., and Larsson, L., Theory and practice of very large scale sublevel caving. - Hustrulid, W., Bullock, R. (eds.) Underground Mining methods - Engineering Fundamentals and International Case Studies. - SME, Littleton,Colorado, USA. - 2001. - Pp. 381-384.
13. Wimmer, M. Gravity flow of broken rock in sublevel caving (SLC) - State-of-the-art. -Swebrec Report 2010:P1. - Swedish Blasting Research Centre, Lulea University of Technology, Lulea, Sweden. - 2010. - 58 p.
14. Стажевский С.Б. Об особенностях течения раздробленных горных пород при добыче руд с подэтажным обрушением // ФТПРПИ. - 1996. - № 5. - С. 72-89.
15. Chen, J.Y., Boshkow. S. Recent Development and Application of Bulk Mining methods in the People's Republic of China. - Int. Conf. on Caving and Sublevel Stoping, 1981. - Denver, USA: SME-AIME, 1981. - Pp. 393-418.
16. DeCagne, D.O., McKinnon, S.D. The influence of Blasting Fragmentation on Ore Recovery in Sublevel Cave Mines. - Proceedings of Alaska Rocks 2005, The 40th U.S. Symposium on Rock Mechanics (USRMS): Rock Mechanics for Energy, Mineral and Infrastructure Development in the Northern Regions, Anchorage, Alaska, June 25-29, 2005. - ARMA/USRMS, 2005.
17. Brady, B.H.G., Brown, E.T. Rock mechanics for underground mining, 3rd ed. - Dordrecht: Kluwer; 2004.
18. Steffen, S., Kuiper, P. Maximising Ore Recovery and the Implications for Cave Monitoring and Management Practices - Application of the Smart Marker System in Block and Sub-Level Mines. - Massmin 2012, June 2012. - AusIMM, Melbourne. - 2012.
19. Strategic research and innovation agenda for the Swedish mining and metal producing industry (STRIM). - Lulea, Sweden: Rock Tech Centre. - 2013. - 104 p.
© Е. П. Русин, С. Б. Стажевский, 2017
