CC BY
43
СЕМИНАР 15
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2000 г.
^ © Ю.В. Волков, И.В. Соколов^4
В.Д. Камаев, О.В. Славиковский,
2001
х \ ч\
УДК 622.272
Ю.В. Волков, И.В. Соколов, В.Д. Камаев,
О.В. Славиковский
ВСКРЫТИЕ И ОТРАБОТКА МЕСТОРОЖДЕНИЙ
ПРИ ВОСУОПЯШЕЙ ВЫЕМКЕ
Н
еобходимость развития новых направлений геотехнологии и геоэкологии, обеспечивающих без-конфликтное развитие техно- и биосферы при освоении недр обоснована акад. К.Н. Трубецким [1]. При подземной добыче руд цветных металлов для получения 1 тонны металла в концентрате необходимо разместить на поверхности от 100 до 150 т пустой породы и 90-95 т хвостов обогащения. По степени воздействия на природную среду отвалы и хвостохранилища относятся к категории катастрофического ее нарушения, когда на площади, занятой ими, происходит полное уничтожение биоты. Достижение экологической безопасности горного производства по этому фактору потребует кардинальных горнотехнических решений, исключающих накопление твердых отходов на поверхности.
Одним из наиболее реальных путей решения этой экологической проблемы при подземной разработке является перевод выработанного пространства из категории потенциального ресурса в категорию ресурса реального путем изменения порядка отработки месторождений и перехода от последовательной выемки сверху вниз к отработке их снизу вверх. Несложный расчет показывает, что для большинства геологических типов рудных месторождений в пустотах, образованных при отработке запасов одного горизонта, можно разместить весь объем пустых пород и 4050 процентов хвостов обогащения. Преимущества такого порядка развития очевидны, так как он устраняет причины этого вида техногенного воз-
действия на природу и тем самым снижает общие затраты на охрану окружающей среды. При восходящей отработке на длительный период обеспечивается сохранность водозащитного слоя и дневной поверхности, поскольку запасы верхнего этажа отрабатывают в последнюю очередь.
На основании использования эффекта поглощения техногенными полостями деформаций изменяется напряженно-деформированное состояние массива горных пород, вследствие чего улучшается геомеханическая обстановка.
Сущность способа состоит в том, что вскрытие производят на всю глубину месторождения или на глубину разведанных запасов. Затем оборудуют концентрационный горизонт с дробиль-но-дозаторным комплексом. Проводят подготовительные, нарезные выработки и приступают к добыче руды в самом нижнем этаже, развивая подготовительно-нарезные работы в очередном вышележащем этаже.
При этом возможны два варианта вскрытия. Первый вариант: сооружение дробильно-
дозаторного комплекса на последнем концентрационном горизонте из расчета приема всех вскрываемых запасов. Второй вариант: месторождение также вскрывается на всю глубину, но восходящая отработка его производится отдельными технологическими ярусами (этапами), высота которых соответствует шагу отработки, при этом на нижнем горизонте яруса проходится весь необходимый комплекс транспортных и технологических выработок. Выбор способа вскрытия зависит от запасов месторождения и запасов вскрываемого яруса. Переход на нетрадиционный восходящий порядок отработки предопределяет, в основном, одноэтапное вскрытие месторождения.
Вопрос систематизации факторов, оказывающих влияние на определение оптимальных параметров шага отработки месторождения, на сегодня недостаточно изучен. Специфика задачи по определению параметров шага отработки состоит в том, что этот параметр не связан непосредственно с технологией отработки месторождения. В
то же время все основные факторы - природные, технологические, организационные и экономические оказывают воздействие на шаг отработки месторождения. Влияние отдельных факторов проявляется не непосредственно в процессе ведения горных работ, а завуалировано в виде сложных взаимосвязей нескольких технологических процессов. Однако, это не исключает необходимость их учета, а лишь делает эту задачу более сложной, так как проявление влияния неучтенных факторов происходит в процессе разработки месторождения особенно ощутимо. На основании проведенных исследований предложена классификация основных факторов, влияющих на параметры шага отработки месторождений.
К первой группе относятся природные факторы: горно-геологические (мощность, угол падения, угол сдвижения и другие), определяющие эксплуатационную рудную площадь, обеспечивающую требуемую производительность рудника.
Ко второй группе относятся технологические факторы: параметры рудника и порядок отработки месторождения, которые определяют ярусную отработку месторождения или с одним концентрационным горизонтом, высоту этажа и шаг вскрытия.
Третья группа факторов - технические: номенклатура оборудования определяет тип погру-зочно-доставочного, бурового и транспортного оборудования.
Четвертая группа факторов - экономические: стоимостные параметры определяют капитальные и эксплуатационные затраты, производительность, потребное количество оборудования и его тип; фактор времени - сроки вскрытия и подготовки месторождения, сроки окупаемости, дисконтированный доход.
При выборе эффективных вариантов систем разработки необходимо решение вопросов, связанных с управлением напряженно-деформированным состоянием горного массива, позволяющих устранить или свести к минимуму концентрацию напряжений в районе ведения горных работ, снизить способность приконтурно-го массива к накоплению больших запасов потенциальной энергии упругого деформирования. Тогда в сочетании с технологическими будут решены многие вопросы по долговременному сохранению инженерных и природных объектов на земной поверхности.
Для снижения способности приконтурного массива к накоплению больших запасов потенциальной энергии упругой деформации отработку месторождений следует вести ромбовидными камерами или с податливыми целиками.
При отработке месторождения средней мощности снизу вверх рекомендуется вариант выемки камерами ромбовидной формы. Буровая выработка проходится в верхней части камеры в зоне концентрации разрушающих напряжений. В случае необходимости кровлю и стенки камеры укрепляют штанговой крепью. Бурение, отбойку и выпуск руды осуществляют в условиях обеспечения устойчивого состояния обнажений в камере. Днище камеры располагают в породах лежачего бока. Отработка камер ведется по простиранию с использованием малопрочной закладки.
При отработке мощного рудного тела камеры ромбовидной формы располагают вкрест простирания рудного тела. При заполнении камер твердеющей смесью можно использовать малопрочную закладку или разнопрочную с использованием сухой и твердеющей закладки. Также можно применять варианты камерной выемки с податливыми целиками. В первом случае используется твердеющая закладка и плоское днище. Во втором варианте используют породную закладку с оставлением рудных целиков в массиве закладки. В этом случае при сохранении податливости целиков они не разрушаются.
Восходящая отработка месторождений кроме улучшения геомеханической обстановки характеризуется рядом технологических, экономических и экологических достоинств по сравнению с нисходящей отработкой.
При восходящей отработке первичные камеры заполняют закладкой с нормативной прочностью 1,5-2 МПа, а вторичные камеры можно заполнять породой, сухой закладкой или гидрозакладкой, в то время как при нисходящей отработке во всех камерах нормативная прочность закладки в нижней ее части должна быть не менее 5 МПа. Тем самым в предлагаемом варианте расход цемента на 1 м3 закладки можно снизить в 2-2,5 раза, а себестоимость добычи на 30-35 %.
Даже при высокой нормативной прочности закладки при нисходящей отработке выемка камер нижнего этажа приводит к нарушению находящейся в их кровле закладки под действием высоких статических и динамических напряжений. Над отрабатываемыми камерами
первой очереди закладка в кровле может обрушиться на высоту 4 м, а в камерах второй очереди - до 8 м. В этом случае разубоживание от закладки составит до 6 % , а ущерб от разубо-живания на примере работы Гайского рудника достигнет 40 млн руб. При предлагаемой технологии такой ущерб исключается. Еще одним преимуществом новой геотехнологии является возможность размещения в камерах всей породы от проходческих работ, так как подготовительные работы ведутся на вышележащих этажах по отношению к очистным работам. В противном случае эту породу транспортируют к стволу, поднимают на поверхность и доставляют в отвал. Затраты на это достигают 25 руб/т.
Учитывая простоту утилизации породы в шахте, появляется возможность обогащения руды в подземных условиях. При добыче магнитных руд до 30-40 % вынутой горной массы можно оставить в шахте. При добыче цветных металлов в шахте в виде хвостов можно оставить до 70-90 % добытой горной массы. Кроме сокращения затрат на транспортирование до обогатительной фабрики в этом случае не надо будет нести затраты за загрязнение окружающей среды.
На имитационной экономико-матема-тической модели исследовано влияние изменений технологических процессов и параметров системы разработки на интенсивность и эффективность ведения горных работ. Расчеты показали: повышение производительности труда на отдельных процессах незначительно увеличивает производительность труда забойного рабочего по системе разработки и прибыль, и только при одновременном повышении производительности труда на проходческих работах, бурении и выпуске резко возрастают производительность труда в целом по системе разработки и прибыль. Так, повышение производительности труда при проведении выработок в 1,95 раза приводит к увеличению производительности труда по системе разработки на 11,7 %, а повышение производительности труда на бурении с 12 м/смену (НКР-100) до 80 м/смену (Соло) или в 6,6 раза, увеличивает производительность труда по системе разработки на 68,3 %. Повышение производительности погрузоч-но-доставочной машины (ПДМ) со 150 до 500 т/смену (в 3,3 раза) увеличит производитель-
Таблица
ОСНОВНЫЕ ФИНАНСОВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОЦЕНКИ ВАРИАНТОВ ВОСХОДЯЩЕЙ ВЫЕМКИ
Показатели О
Капитальных затрат (эксплуата ные затраты приняты одинаков
Нисходящая Восходящая вы
выемка Вариант 1 Вар
Общая сумма капитальных вложений, млн руб. 742,7 676,1 6(
Период оценки, лет 40 40
Чистый дисконтированный доход, млн. руб. 91 81
Внутренняя норма доходности, % 12,9 11,6 1
Индекс доходности, доли един. 1,12 1,12
Срок окупаемости капитальных вложений, лет: простой дисконтированный 11 20 14 25
ность труда по системе разработки на 70,5 %. Комплексное повышение производительности труда на всех процессах, например, на проходческих работах до 6,22 мЗ/чел.-смену, буровой установки до 50 м/смену, ПДМ до 350 т/смену, увеличивает производительность труда по системе разработки в 2,6 раза.
Отработка месторождений снизу вверх со вскрытием на всю разведанную глубину с экономической точки зрения характеризуется следующими особенностями по сравнению с поэтапным вскрытием сверху вниз: одновременное инвестирование значительных финансовых средств на проходку стволов, их ар-мировку и оборудование ;
• увеличение срока окупаемости капитальных вложений;
• снижение абсолютной величины капитальных затрат на строительство рудника:
за счет исключения затрат на проходку выработок, углубочных комплексов, вследствие снижения стоимости и увеличения скорости проходки стволов по сравнению с их углубкой. Кроме того, после ввода рудника в эксплуатацию при восходящей выемке исключаются затраты на размещение в отвалах пустой породы.
Совместный учет данных факторов может быть произведен непосредственным расчетом для
конкретных условий. Для примера рассмотрено вскрытие Естюнинского месторождения - на основании ТЭО института Уралгипроруда по вскрытию и разработке гор.320-1020 м с увеличением мощности шахты до 4,0 млн т руды в год.
Стоимость работ и скорости проходки принимаются в соответствии с нормативами по состоянию на 1998 г. Календарный график строительства составлен по условию скорейшего ввода рудника в эксплуатацию. Полный срок строительства шахты растягивается почти на 40 лет.
Сравнительные финансовые результаты расчетов приведены в таблице, из которой видно, что чистый дисконтированный доход за 40летний расчетный срок при нисходящем поэтапном вскрытии на 10 % выше соответствующего показателя варианта вскрытия на всю глубину месторождения, а срок окупаемости капитальных вложений составляет соответственно 11 и 14 лет (простой), 20 и 25 лет (дисконтирован-ный). Учитывая достаточно длительный срок оценки, данные варианты вскрытия можно считать равноценными. Таким образом даже в варианте, не учитывающем преимущества восходящей выемки, вскрытие на всю глубину месторождения не приводит к существенному снижению эффективности капитальных вложений по сравнению с нисходящим поэтапным вскрытием сверху вниз.
Анализ схемы вскрытия Естюнинского месторождения (5 стволов с четырьмя клетевыми подъемами и одним рудоподъемным скиповым) позволяет сделать вывод, что при ликвидации необходимости подъема на поверхность пустых
пород один из клетевых подъемов и соответственно один ствол может быть исключен (на первой стадии строительства подъем породы осуществляется по рудоподъемному стволу). Данное положение характерно не только для шахты Ес-тюнинская; для железорудных шахт России и СНГ типичным является вскрытие пятью-шестью стволами с четырьмя-пятью клетевыми подъемами, один из которых предназначен для подъема пустых пород.
Учет этого фактора позволил рассмотреть вариант вскрытия на всю глубину месторождения с исключением ствола «Естюнинский». Экономическая эффективность второго варианта по сравнению с поэтапным вскрытием достаточно существенна (по капитальным затратам в 1,34 раза, по суммарным затратам в 3,1 раза).
Проведено обоснование рациональной области применения восходящего способа отработки месторождений. Анализ сырьевой базы подземной геотехнологии России позволил выявить наиболее перспективные месторождения, которые могут быть объектом разработки в ближайшее время.
Урал: Естюнинское, Глубоченское, Узельгин-ское (отрабатывается снизу вверх), Новоучалинское, Гайское (ниж-ние горизонты).
Новые месторождения: Комсомольское,
Таньерское.
Сибирь: Таштагольское, Талнахское.
Центр: Яковлевское.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Трубецкой К.Н, Галченко Ю.П. Принципы построения экологически безопасной геотехнологии //Горный вестник. - 1999. - № 4-5. - С.21-28.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ =
/-----------------------------------------------------------------------------------7
Волков Юрий Владимирович - доктор технических наук, заведующий лабораторией подземной геотехнологии, Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург.
Соколов Игорь Владимирович - кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории подземной геотехнологии, Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург.
Камаев Владимир Дмитриевич - старший научный сотрудник лаборатории подземной геотехнологии, Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург.
Славиковский Олег Валерьянович - доктор технических наук, профессор, кафедра разработки рудных месторождений Уральской государственной горно-геологической академии, г. Екатеринбург.
/
5
