CC BY
58
© Р.М. Габитов, С.Е. Гавришев, А.Р. Бондарева, Р.Р. Минаев,
2006
УДК 622.271.3
Р.М. Габитов, С.Е. Гавришев, А.Р. Бондарева,
Р.Р. Минаев
АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ ВНУТРЕННЕГО ОТВАЛА ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ КАРЬЕРА «МАЛЫЙКУЙБАС»
Семинар № 12
~И~Г ри разработке крутопадающих
Л. Л. месторождений практически весь объем вскрышных пород размещается во внешние отвалы, что приводит к отчуждению больших земельных площадей. Только в Уральском регионе в отвалы карьеров ежегодно укладывается более 100 млн м3 с отчуждением 200-250 га земли. На горнорудных предприятиях черной металлургии доля площадей, отводимых под отвалы, составляет порядка 48 % от общих площадей, занимаемых этими предприятиями. Площади отвалов в структуре нарушаемых земель, как правило, в 1,2-1,5 раза превышают площади, занимаемые горными выработками. Таким образом, отвалы вскрышных пород являются наиболее землеемкими объектами горного производства, и решение вопросов, связанных со снижением площадей, отводимых под отвалы, является важной народнохозяйственной задачей.
Складирование вскрышных пород в отработанное пространство карьеров, в определенной мере, решает проблему снижения землеемкости отвалов и восстановления нарушенной поверхности. Наиболее результативно используются карьерные выемки для отвалообразования при разработке горизонтальных и пологопадающих месторождений.
Размещение вскрышных пород карьеров, разрабатывающих крутопадающие и относительно короткие в плане месторож-
дения, производится только во внешние отвалы. В случае, когда рудные тела вытянуты в плане и карьер имеет длину в несколько раз больше, чем ширину, то возможна организация внутренних отвалов. Доля объема вскрышных пород, складируемых в эти отвалы, во многом зависит от формы и размеров рудных залежей, принятого порядка отработки месторождения с разделением на этапы, производственной мощности предприятия, системы вскрытия и разработки.
Порядок отработки месторождения с разделением на этапы существенно влияет на эффективность возведения внутренних отвалов. Выделение этапов эксплуатации наиболее целесообразно при разработке группы смежных залежей одним карьером. В этих условиях появляется возможность отрабатывать отдельные участки в необходимой последовательности. Порядок ввода в работу последующего участка должен быть таким, чтобы обеспечивалась предусмотренная заданием производственная мощность предприятия. Так, по мере отработки одного из участков в разработку вовлекается другой, компенсирующий выбывающую мощность и дающий возможность использовать выработанное пространство первого из отработанных участков для отвалообразования.
Выбор порядка отработки месторождения решается методом вариантов на основе анализа режима горных работ. В ка-
честве одного из критериев оценки эффективности можно принять коэффициент рационального размещения Квн - отношение объема пород, размещаемых внутри карьерного поля Увн , к объему вскрышных пород Уи , то есть Квн = Увн/Ув. На величину коэффициента оказывают влияние, кроме порядка отработки, скорость углуб-ки, ширина рабочей площадки, способы вскрытия и подготовки рабочих горизонтов, производительность карьера по руде.
Влияние этих факторов видно на примере разработки железорудного месторождения «Малый Куйбас». Это месторождение магнетитовых руд, глубинного типа. Рудоносная зона имеет длину около 2,5 км при ширине 150-400 м, прослеживается до глубины 1200 м, падение - крутое до 80°. Условно зона магнетитовых руд в карьере разделена на два крупных участка: Южный и Северный.
Горные работы ведутся с 1973 года. Месторождение вскрыто внутренними траншеями, заложенными на югозападном, западном, северном и восточном бортах (рис. 1, а). В настоящее время глубина карьера в его южной части составляет 120-140 м (по проекту 290 м), в северной - 100-110 м (по проекту 140 м), производительность по руде - 1,7 млн т/год, по вскрыше - 5,4 млн м3/ год.
После проведения дополнительных геологоразведочных работ и полученного прироста запасов полезного ископаемого, в 1999 году разработан проект реконструкции карьера, который предусматривает увеличение глубины разработки на Северном участке до 310 м. Глубина Южного участка остается неизменной - 290 м (рис. 1, б).
Расширение границ позволяет вовлечь в разработку дополнительные объемы руды, которые, в основном, сосредоточены в северной части месторождения, увеличить производственную мощность по руде до 2,5 млн т/год. Период работы карьера с такой производительностью составляет все-
го 3 года, а период стабильной производительности по вскрыше в 8,0 млн м3 сохраняется в течение 7 лет (рис. 3, а). Наибольший объем вскрышных работ (более 60 млн м3) предстоит произвести на Северном участке. По этому участку эксплуатационный коэффициент вскры-ши составит 3,1 м3/т, на Южном - 2,61 м3/т. На момент завершения горных работ карьер должен иметь длину по верху 2300 м, ширину - 560 м.
Анализ вариантов порядка отработки
Для карьера «Малый Куйбас» были проанализированы четыре варианта развития карьерного поля:
• проектный;
• поэтапный (последовательный) -вначале отрабатывается Южный, а затем Северный, и наоборот, сначала Северный, а потом Южный участки;
• одновременная, но с различной интенсивностью, отработка Южного (с максимально возможной) и Северного (с минимально допустимой.
При проектном варианте горные работы ведутся одновременно с одинаковой интенсивностью углубки. В этом случае возможна отработка месторождения широкими площадками, малой скоростью уг-лубки, невысокими скоростями продвижения фронта работ. Недостатком этого варианта является довольно высокий текущий коэффициент вскрыши - от 3,2 до
5,3 м3/т, и небольшой объем внутреннего отвала - 3,0 млн м3.
Оба варианта последовательной отработки участков требуют высокой интенсивности производства горных работ для достижения заданной мощности 2,5 млн т руды в год. При таком условии эти варианты практически не осуществимы. В случае же достижения необходимой производительности в 2,5 млн т/ год на Южном участке карьера
335
Рис. 1. Варианты вскрытия месторождения «Малый Куйбас»: а) по проекту 1973 года; б) по проекту 1999 года и с организацией внутреннего отвала; в) и г) - варианты вскрытия при разновременной отработке участков карьера и с организацией внутренних отвалов на севере и юге карьера; 1,2 — контуры карьера соответственно по проекту 1973 и 1999 годов; 3 - схема трассы вскрытия; 4 — контуры внутренних отвалов
Рис. 2. Схема отработки месторождения с разделением его ан участки: а) контур карьера в начальный период разработки; б) контур карьера на момент завершения добычных работ на Южном участке; в) контур карьера и внутренних отвалов на конец отработки месторождения; Уую и уус - скорости углубки соответственно Южного и Северного участков
Рис. 3. Календарные планы производства вскрышных и добычных работ при различных вариантах отработки месторождения (Нугл = 17,0 м/год): а) проектный порядок отработки (Тю = 16 лет - время отработки Южного участка, Ув = 3 млн м3 - объем внутреннего отвала); б) проектный контур и схема вскрытия, интенсивная отработка Южного участка (Тю = 10 лет, Ув = 13 млн м3); в) проектный контур и измененная схема вскрытия, интенсивная отработка Южного участка (Тю = 12 лет, Ув = 25 млн м3); г) измененный контур и схема вскрытия карьера, интенсивная отработка Южного участка (Тю = 11 лет, Ув = 12 млн м3)
при последовательной отработке месторождения, почти весь объем вскрышных пород (более 60 млн м3) Северного может разместиться в пределах отработанной части карьера.
Вариант первоочередной разработки Южного участка с постепенным вводом мощности Северного для условий карьера «Малый Куйбас» является наиболее
предпочтительным (рис. 2). Эта схема предусматривает интенсивную отработку Южного участка со скоростью углуб-ки 15-20 м/год, а на Северном - с той степенью интенсивности, которая необходима для достижения проектной мощности 2,5 млн т/год. Здесь расчетные скорости углубки могут изменяться от 3-5
м в начальные периоды разработки до 20-23 м - в конце.
Этот вариант является наиболее приемлемым по следующим причинам:
• в настоящий момент максимальное понижение горных работ достигнуто на Южном участке (рис. 1, а и 2, а);
• контуры карьера в южной части практически не требуют расширения (рис. 1, а);
• сравнение объемов вскрыши Южного (28,7 млн м3) и Северного (64,6 млн м3) участков позволяет сделать вывод о необходимости первоочередной отработки Южного участка и формирования здесь внутреннего отвала.
Способ подготовки рабочих горизонтов
Проведенный горно-геометрический анализ для этого варианта отработки показал следующее. По сравнению со способами подготовки горизонтов с продольным и поперечным развитием фронта работ и вскрытием со стационарными съездами, способ подготовки рабочих горизонтов временными съездами и разрезными котлованами способствует более равномерному, с постоянным коэффициентом вскрытия, распределению объемов вмещающих пород и руды в течение более длительного периода времени. Так, при скорости углубки 17 м/год и ширине рабочей площадки 30 м срок службы карьера составит 17,5 лет (рис.3,б). Из них 10 лет производительность по руде может быть равной 2,5 млн. т/год, а производительность по вскрыше -
8,4 млн. м3/год. В последующие 6 лет ра-
боты карьера производительность по руде должна снизиться до 1,0 млн т/год. Южный участок планируется отработать через
10 лет после начала реконструкции, и в течение 7,5 лет может производиться отсыпка пород во внутренние отвалы. В это время глубина Северного участка составит 230 м. Емкость его составит 13,6 млн м3. Коэффициент эффективности размещения пород Кв = 0,15.
Влияние параметров и показателей системы разработки
Иные результаты отработки месторождения наблюдаются при производстве горных работ с другими скоростями уг-лубки и размерами рабочей площадки (табл. 1).
При скорости углубки 20 и 25 м/год срок службы карьера уменьшается соответственно до 16,5 и 14,5 лет, периоды стабильной производительности по руде в
2,5 млн т/год составят 8,8 и 13,5 лет, а объемы внутреннего отвала увеличатся соответственно на 44 % и в 3 раза. Коэффициент эффективности достигает величины, равной 0,44. Влияние ширины рабочей площадки на емкость отвала не столь велико. Для условий отработки месторождения «Малый Куйбас» увеличение ширины на 10 м снижает емкость отвала на 8 %. Наибольшей величине объема внутреннего отвала соответствуют скорость углубки 25 м/год и ширина площадки 30 м. При этом объем отвала составляет 40,8 млн м3.
Изменение объема отвала объясняется тем, что при увеличении ширины рабочей площадки большие объемы вскрыши извлекаются в первые периоды на Северном
Таблица 1
Влияние скорости углубки и ширины рабочей площадки на объем внутреннего отвала
Скорость углубки, м/год Ширина рабочей площадки, м
30 40 50
Объем внутреннего отвала, млн м3
17,0 13,6 12,4 11,2
20,0 19,6 18,0 16,4
25,0 40,8 38,0 35,2
Таблица 2
Влияние скорости понижения горных работ и ширины рабочей площадки на текущий коэффициент вскрыши
Ширина рабочей площадки, м Скорость углубки, м/год
17 20 25
Текущий коэффициент вскрыши, м3/т
17,0 3,36 3,28 3,12
20,0 3,60 3,44 3,20
25,0 3,84 3,64 3,28
участке, а карьерное пространство Южного участка еще не отработано, а при уменьшении ширины рабочей площадки объем внутреннего отвала увеличивается, так как значительные объемы вскрыши Северного участка остаются на более поздний период. С увеличением скорости углубки уменьшается срок отработки Южного участка и формирование внутреннего отвала начинается раньше, чем это было бы при малой скорости углубки и, соответственно, увеличивается объем отвала. Кроме того, при увеличении скорости понижения горных работ на Южном участке, его производительность по руде повышается и, значит, менее интенсивно отрабатывается Северный участок для компенсации недостающей требуемой производительности.
Увеличение скорости углубки ведет и к уменьшению коэффициента вскрыши (табл. 2). Объясняется это тем, что темп работ на Южном участке при увеличении скорости удовлетворяет требованиям по производительности и Северный участок практически не вовле6кается в работу, а общий эксплуатационный коэффициент вскрыши на Южном участке меньше, чем на Северном.
Из табл. 2 видно, что текущий коэффициент вскрыши с уменьшением ширины рабочей площадки уменьшается, так как вскрыша относится на более поздний период.
Таким образом, для рассмотренного примера отработки месторождения оптимальной шириной рабочей площадки и
скоростью углубки, соответствующими рациональному режиму горных работ и эффективному отвалообразованию, являются ширина 30 м и скорость 25 м/год. Влияние способа вскрытия Создать дополнительное пространство для размещения вскрышных пород в пределах карьерного поля позволяет выделение еще одного участка, который следует отработать в первую очередь или параллельно с Южным участком. Это торец Северного участка карьера. После отработки запасов полезного ископаемого, который простирается на глубину 130 м, освободившуюся площадь можно использовать под отвал. Но по проектной схеме вскрытия организация отвала здесь невозможна, так как по борту проходит стационарная трасса (рис. 2, б). Поэтому, чтобы создать отвал необходимо изменить схему вскрытия. Один из возможных вариантов вскрытия показан на рис. 2, в. При отработке по такой схеме объем пород, размещаемых в торце карьера, составит 12 млн м3, а общий объем отвальных пород, включая объем Южного участка карьера - 25 млн м3. Изменение режима отработки не повлияло на распределение объемов руды и вскрыши в наклонных слоях, а на Северном участке распределение стало более равномерным и исчезли пиковые объемы вскрыши.
Календарный план работы карьера (рис. 3, в) по этому варианту имеет следующие характеристики:
• срок отработки карьера - 16 лет;
• производительность по вскрыше в
I этапе - 8,0 млн м3, по руде - 2,5 млн т, продолжительность этапа - 12 лет;
• производительность по вскрыше во II этапе - 1,1 млн м3, по руде - 0,8 млн т, продолжительность этапа - 4 года.
На рис. 2, г и 3, в показаны схемы вскрытия, календарный план горных работ при измененных контурах Северного участка. Исключение из отработки запасов валунчатых руд было принято в связи с невозможность их обогащения в условиях ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». Это потребовало изменения схемы вскрытия с заложением въездной траншеи в северной части карьера.
Для этого варианта также был выполнен горно-геометрический анализ при ширине рабочей площадки 30 м, скоростях углубки 17, 20 и 25 м/год. Показатели работы карьера (рис. 3, г) при скорости уг-лубки 17 м/год:
• срок службы карьера - 15 лет;
• срок отработки Южного участка -
II лет;
• производительность карьера по вскрыше - 7,1 млн м3 в I этапе и по руде -
2,5 млн т;
• объем внутреннего отвала - 12
млн м3.
Полученные данные влияния способов вскрытия, порядка отработки месторождения, показателей и параметров системы разработки свидетельствуют о необходимости решения вопросов размещения вскрышных пород во взаимосвязи с режимом формирования карьерного пространства. То есть проектирование горных работ в карьере должно производиться совместно с решением задач размещения пород вскрыши. В целом, в зависимости от вышеперечисленных факторов емкость внутренних отвалов в условиях карьера «Малый Куйбас» может иметь значения от 3,0 млн м3 до 40 млн м3, а это значит, можно снизить землеемкость отвалов в среднем на 60-80 га, грузооборот - на (100-300)-106 ткм.
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------
Габитов Р.М. - кандидат технических наук, доцент,
Гавришев С.Е. - доктор технических наук, профессор,
Бондарева А.Р. - горный инженер,
Магнитогорский государственный технический университет им. Носова,
Минаев Р.Р. - главный маркшейдер горно-обогатительного производства ОАО «ММК».
-А
