CC BY
74
------------------------------------------------- © Е.В. Кузьмин, 2005
Посвящается 100-летию со дня рождения профессора, доктора технических наук Р.П. Каплунова
УДК 622.272 Е.В. Кузьмин
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Пленарное заседание
Системы подземной разработки мощных рудных месторождений с самопроизвольным обрушением руды под действием сил гравитации всегда привлекали внимание своей значительной дешевизной, кажущейся простотой, сразу с появлением и развитием систем с обрушением. Естественно желание выпускать мелкодробленую руду из воронок и траншей, не пробурив для отбойки ни единого метра скважины, не пройдя ни одного бурового штрека, не подняв туда ни одного бурового станка. А еще не требуется ВВ, ВМ, экономия на зарплате, креплении, вентиляции, и пр.
В 40-х годах и позже технологию с самооб-рушением настойчиво пытались внедрить в Кривом Роге: на руднике им. Дзержинского был заложен и отработан блок № 34-38. Велись в этом направлении работы и на Урале, на Дег-тярском руднике, в Текели и на других рудниках также пытались внедрить технологию с са-мообрушением. Но проблемы с выпуском руды, а именно, медленное «созревание» блока, обрушение в крупных кусках, постоянное вторичное дробление, необходимость инициации самообрушения, ожидание - в условиях планового хозяйства вынудили перейти к принудительному обрушению, с выполнением всего комплекса буровзрывных работ, и, соответственно, затрат по отбойке.
В других странах, на бедных рудниках, где часто самообрушение - единственная технология, которая может быть экономически приемлемой, работы по изучению склонности рудного массива к самообрушению скрупулезно и кропотливо продолжались. Рудник Коффифон-тейн (ЮАР), добывающий бедные алмазные руды с содержанием 0,07 кар/т, закрывался 7 раз как нерентабельный, и вновь открывался.
Освоение самой дешевой системы разработки было вопросом жизни для многих людей. Молибденовый рудник Хендерсон компании Клаймакс, расположенный в горах Колорадо (США), также 50 лет назад постоянно находился на грани закрытия, пока не перешел на самообрушение. Медный рудник Эль-Тениенте (Чили) смог экономически подняться только благодаря использованию самообрушения.
Сегодня уже новое поколение крупных предприятий успешно применяет самообрушение, выходя по показателям добычи на первые места в мире: это медный рудник Нортспаркс в Австралии с годовой производительностью 5 млн.т., медно- и золотодобывающий рудник Фриипорт в Индонезии - 2,5 млн т, алмазные рудники в ЮАР: Финч, с годовой мощностью 3 млн.т., Премьер - 2,5 млн т, Палабора - 2,5 млн т и другие известные высокопроизводительные предприятия. Другие рудники и фирмы конкуренции с ними не выдерживают, ни по производительности, ни по себестоимости добычи.
Что произошло за последние 50 лет, как происходило развитие технологии с самообру-шением?
Возможность применения систем с самооб-рушением зависит от физико-механичес-ких свойств горных пород, трещиноватости массива и параметров рудных тел. Свойства горных массивов достаточно разнообразны, и для определения их устойчивости или обрушаемости в мировой практике используются классификации, в которых физико-механические свойства и геомеханические характеристики массивов систематизированы и сведены к общему числовому рейтинговому показателю.
Попытки систематизации массива горных пород по устойчивости делались еще в 1940-е гг., и первая из них была предложена Терцаги.
Рейтинговая классификация Викхема (RSR) (1972)
Наиболее завершенными и приемлемыми к применению были предложены Бартоном (1973-1974 г.), Бенявским (1973-1989 гг.)и Лобширом (1977-1990 гг).
Практически параллельно была предложена система З.Т. Бенявского в ЮАР прочность по-
Рис. 2. Алгоритм к определению рейтингового показателя МЯУЯ по классификации проф. Д. Лобшира
род на одноосное сжатие; КОЭ; расстояние между трещинами; условия трещиноватости; условия подземных вод; направление трещин. Показатели суммируются, и рейтинговый показатель варьируется от 0 до 100 единиц. За свою классификацию Р.Т. Бенявский получил высшую премию Академии Наук США.
Наиболее полной, завершающей, на сегодняшний день является классификация проф. Дениса Лобшира (ЮАР), который привел ее в приемлемую для горняков систему, учитывая весь комплекс физико-механических свойств массивов. Схема к определению рейтингового
Рис. 1. Развитие классификаций массивов по устойчивости
показателя массива на основе этой классификации MRMR (1977 - 1990) показана на рис. 2. Методика является общепринятой во многих странах и успешно используется уже более 25 лет.
Сегодня в мире ни один проект, ни одна статья не начинается с геомеханической оценки массива по классификации Д. Лобшира. Удобство ее заключается еще и в том, что большая часть сведений об изучаемом массиве может быть получена путем исследований кернов. Привлекательность метода резко усилилась с появлением уникального оборудования -исследовательского комплекса CORNSCAN (Институт Геомеханики, DMT, Ессен, Германия). Поверхность керна считывается в установке скоростной фотокамерой, тут же на месте производятся геомеханические испытания, далее ведется компьютерная обработка и выдается на печать: прочность на сжатие, разрыв, скол, азимуты всех трещин, ширина их раскрытия, размеры выступов и впадин, местные дефекты, модули упругости, деформации и еще несколько полезных параметров.
Сущность метода Д. Лобшира заключается в том, что все учитываемые параметры массива оцениваются баллами. Каждый параметр состояния массива вносит определенное число баллов, которые в итоге суммируются. Путем переработки огромного количества производственных данных, статистически, Д. Лобширом составлена диаграмма, с помощью которой исследуемый на число баллов массив (MRMR) можно отнести к устойчивому, переходному или неустойчивому (рис. 3).
Степень склонности к самообрушению характеризуется величиной гидравлического радиуса (не как в геометрии - расстояние от центра круга до огибающей, а как в гидравлике -отношение площади активной поверхности к ее периметру). В нашем случае эта поверхность - площадь подсечки - минимальное горизонтальное обнажение в рудном теле,
таких размеров, при которых начинается процесс самообрушения кровли и этот процесс не останавливается, т.е. развивается в виде вертикального столба и продолжается вплоть до выхода на поверхность. При точно выбранной площади подсечки куполения не происходит. Процесс самообрушения может быть остановлен лишь подпором снизу обрушившейся ранее разрыхленной рудой, если ее не выпустили (или подвыпустили для того, чтобы оторвать ее от массива).
Выпуск руды производится через выработки оснований блоков. Так же, как и в принудительном обрушении, выпуск бывает торцевой и донный. На руднике Коффифонтейн применяется торцевой выпуск с доставкой с помощью ПДМ (рис. 4). Причем выпуск осуществляется попеременно через выработки в двух подэтажах. Так как рудный массив непрочный и неустойчивый, в местах приема руды оборудуются полупостоянные пункты выпуска - мощные
Рис. 3. Диаграмма Д. Лобшира к определению устойчивости/обру-
шаемости пород
2-х метровые по длине бетонные арки, которые после окончания выпуска взрываются и создается новый пункт выпуска, отступив по доставочной выработке на 24 м. Пункты выпуска в подэтажных выработках располагаются в шахматном порядке по отношению друг к другу, поэтому практически пункт выпуска руды перемещается лишь на 12 м.
На рудниках Нортспаркс, Хендерсон, Финч, Эль-Тениенте используется донный выпуск (вариант плоского днища), с использованием на доставке мощных самоходных по-грузо-доставочных машин (ПДМ). На руднике Эль-Тениенте целики между выработками основания блока укрепляются в обхват напряженными тросами, подошвы выработок бетонируются для обеспечения высокой скорости движения ПДМ и удобства зачерпывания руды. Некоторые негабаритные куски раздавливаются на месте путем прижатия ковша к решетке радиатора.
В процессе опускания обрушенной руды к воронкам основания блока идет взаимное раздавливание кусков руды, измельчение крупных негабаритных кусков. Поэтому для практического использования этого эффекта, на руднике Хендерсон, высота блока вместо обычных 122 м, что составляет 130 тыс. т запасов, готовых к выемке одной воронкой, закладывается величиной 252 м. При этом на одну воронку выпуска приходится 382 тыс. т (рис. 5). На руднике Премьер новый горизонт (С-Си1;) заложен на глубине 300 м от ближайшего отработанного этажа. Легко увидеть, что в приведенных случаях объем подготовительнонарезных работ снижается по сравнению с, например, системами с закладкой, в десятки раз.
Технология с самообрушени-ем руды представляет особый интерес для алмазодобывающих
Рис. 4. Самообрушение и торцевой выпуск руды на руднике Коффифонтейн
рудников, ведь известно, что буровзрывные работы сильно портят кристаллы алмазов, их рыночная стоимость падает до 2 раз. Используя керновый материал, образцы кимберлитовых руд трубок «Мир», «Айхал», «Удачный», кафедрой ТПР МГГУ проведен анализ и подсчет числа баллов МЯМЯ по методу Д. Лобшира
Рис. 5. Увеличение высоты этажа на руднике Хендерсон
для определения склонности руд к самообрушению. Из рис. 6 видно, что гидравлический радиус самообрушения для кимберлитов трубок «Мир», «Удачный» и
«Айхал» существенно ниже всех из выше рассмотренных зарубежных, у которых рейтинговые показатели варьируются в пределах 40-60 единиц, следовательно, склонность к самообрушению большая, чем у руд выше рассмотренных зарубежных предприятий.
Размеры рудных тел в плане и конфигурация рудных тел на различных горизонтах месторождения позволяют создавать достаточную площадь обнажения для инициации процесса естественного разрушения массива.
Площади рудных тел намного больше необходимых для достижения величины гидравлического радиуса, в пределах которого происходит развитие самообрушения рудного массива. В таблице представлены результаты расчетов по выявлению возможности применения технологии с самообрушением руды в условиях основных кимберлитовых трубок АК «АЛРОСА».
На примере трубки «Удачная» покажем возможность применения системы с самообрушением руды в различных вариантах. Сечение и конфигурация рудных тел на различных горизонтах месторождения позволяют создавать достаточную площадь обнажения для инициации процесса естественного обрушения массива.
В результате проведенных на кафедре ТПР исследований, выполненных с использованием метода проф. Д. Лобшира, можно заключить, что кимберлиты Западного рудного тела и Восточ-
Рис. 6. Диапазон изменения гидравлических радиусов в условиях кимберлитовых руд Якутии
1 Гидравлический радиус, м
Гидравлические радиусы обрушения для трубок: "Мир" (1), "Айхал" (2), Удачная" (3)
Рудное тело МИМИ ИИ0, м Размеры НИр.т., м Возможность
(интервалы абсолютных отме- р.т. по применения
ток) осям, м системы
Трубка «Мир»
-280 м и выше 24-29,4 9,8-12 310 х 130 46,4 +
-500/-280 м 24-29,4 9,8-12 370 х 120 34,7 +
-700/-500 м 24-29,4 9,8-12 400 х 60 21,4 +
-900/-700 м 24-29,4 9,8-12 400 х 30 13,9 +
Трубка «Айхал»
Юго-западное (+230/+150 м) 32,6 12,9 173 х 22 12,1 +/-
Северо-восточное (+230/+150 м) 32,6 12,9 327 х 40 22,9 +
Юго-западное (+150/0 м) 36,5 14,4 151 х 24 11,94 -
Северо-восточное (+150/0 м) 36,5 14,4 290 х 20 15,8 +
Юго-западное (0/-100 м) 33,2 13,2 118 х 14 8,9 -
Северо-восточное (западный столб) (0/-100 м) 33,2 13,2 166 х 30 13,05 +/-
Северо-восточное (восточный столб) (0/-100 м) 33,2 13,2 84 х 22 11,2 -
Трубка «Удачная»
Западное (-290/-590 м) 30,5 12,5 0 270 51,4 +
Западное (-590/-1080 м) 35,15 14,2 0 110 27,4 +
Восточное (-290/-590 м) 36,5 15 0 250 56 +
Восточное (-590/-1080 м) 41,8 16,7 180х280 52,3 +
ного рудного тела (гор. -290/-590 м) трубки «Удачная» обладают хорошей фрагментацией, куски - диаметром 0,1-2,0 м, с низким выходом негабаритов. Массив Восточного рудного тела (гор. -590/-1080 м) имеет среднюю дробимость, диаметром кусков 0,4-5,0 м, вследствие более высокой крепости руды и меньшей трещиноватости.
Вследствие того, что кимберлиты Западного рудного тела более неустойчивы, чем массив Восточного рудного тела, для отработки его запасов предпочтительно использовать систему с самообрушением с торцевым выпуском, из-за большой динамичности продвижения фронта очистных работ, исключающей необходимость поддержания выпускных выработок при отработке этажа на большей площади и формирования воронок в условиях повышенной трещиноватости. Для Восточного же рудного тела в связи с большей устойчивостью массива возможно применение системы с самообрушением и донным выпуском руды.
Рейтинг массива Западного рудного тела трубки «Удачная» в отметках выше гор. -580 м соответствует 4 классу геомеханической классификации. Основными факторами при выборе сечения выработок являются габариты предполагаемого к использованию оборудования; сечение выработок составит 5x4 м. На трех дос-тавочных горизонтах для выпуска руды создаются специальные пункты выпуска, по которым обрушенная руда выпускается с торца и доставляется с помощью ПДМ. Расположение этих пунктов выпуска в плане производится через определенный интервал на первом и третьем горизонтах и со смещением и тем же интервалом - на втором. Такое шахматное расположение способствует более полному извлечению рудной массы и взаимодействию эллипсоидов выпуска.
Системы разработки с самообрушением характеризуются низкими затратами на добычу руды и высокой производительностью. Производственная мощность рудника ограничивается
лишь интенсивностью выпуска, производительностью и количеством применяемого оборудования. При темпе выпуска 250-300 мм/сут. и заданном количестве оборудования на доставке (14 ПДМ типа CAT R2800) можно достичь проектной мощности в 2,8-3,4 млн т.
Выводы:
1. Технология подземной разработки с самообрушением руды получила в развитых горнодобывающих странах значительное развитие за последние 50 лет.
2. Этот результат обеспечен и тем, что по-грузо-доставочная техника получила мощное развитие, что снизило зависимость выпуска руды от размера куска, увеличило интенсивность выпуска, втрое увеличены размеры вы-
пускных отверстий, мощность ПДМ позволяет “встряхивать” столб руды высотой до 25 м.
3. Большая высота этажа обеспечивает значительные запасы на пункт выпуска, низкий объем подготовительно-нарезных работ, низкий выход негабарита, высокую интенсивность погрузки и доставки руды.
4. При отработке мощных крутопадающих месторождений системы с самообрушением руды являются наиболее перспективными, так как позволяют обеспечить высокую годовую производительность предприятий при минимальной себестоимости добычи руды.
5. При отработке кимберлитовых руд дополнительно обеспечивается сохранность кристаллов алмазов, чем повышается их рыночная стоимость до двух раз.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------------
Кузьмин Евгений Викторович - профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет.
