CC BY
22
© Е.Г. Фурсов, Ю.К. Дюдин, Е.И. Комаров, 2007
УДК 622.272
Е.Г. Фурсов, Ю.К. Дюдин, Е.И. Комаров
СХЕМА ВСКРЫТИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ С СОВМЕЩЕНИЕМ ТРАНСПОРТНЫХ И ПОДЪЕМНЫХ ОПЕРАЦИЙ
Семинар № 17
Вскрытие месторождения в значительной степени определяет технологическую схему подземной добычи. Преобладающими в настоящее время являются технологические схемы с вертикальным клетевым или скиповым подъемом. Как правило, такие схемы сопряжены со значительным количеством перегрузок по всей технологической цепи.
Известно, что высокие техникоэкономические показатели подземной добычи обеспечивают либо беспере-грузочные технологические схемы, либо схемы с минимальным количеством перегрузок.
Технологические схемы с наклонным подъемом имеют в этом отношении преимущества перед схемами с вертикальным подъемом, так как при их использовании возможно уменьшение количества перегрузок, что сопровождается снижением объемов горно-шахтного строительства.
При отработке небольших по площади месторождений возможно совмещение в наклонном подъеме и операции транспортирования руды.
На рисунке оказана схема вскрытия и подготовки рудного тела с использованием указанного принципа.
По схеме (рис. а) предусматривается строительство наклонного ствола 1 и возведение подъемного комплекса (подъемная машина 2, капер 3, приемный бункер 4).
Ствол оснащается рельсовыми направляющими 5. На канатах 6 в стволе навешивается скип 7.
На рабочих горизонтах вскрывающие выработки 8 проходятся также наклонно, но с меньшим углом по отношению к стволу. В почве сопряжения ствола и вскрывающей погори-зонтной выработки на шарнире 9 закрепляется соединительная платформа 10, а в кровле устанавливаются отклоняющиеся шкивы 11.
Выработка 8 проходится до рудной зоны и из нее до уровня достаточного горизонта поднимаются перепускные восстающие 12, к которым примыкают полевые и рудные выработки (13, 14, 15) доставочного горизонта и через них наклонный съезд 16.
На эксплуатационном горизонте соединительная платформа накладывается на рельсовые пути в стволе (рис. б), а при работе с нижележащего горизонта пережимается к кровле сопряжения (рис. с).
По схеме скип с приемной площадки опускается по стволу до рабочего горизонта и затем через соединительную платформу перемещается во вскрывающую выработку к перепускным восстающим после загрузки у которых обратным ходом выдается к разгрузочным кривым на приемной площадке.
К перепускным восстающим руда из зоны очистных работ доставляется погрузочно-доставочными машинами.
Схема вскрытия с совмещением подъемных и транспортных операций ШИН
— Коротко об авторах
Фурсов Е.Г. - доктор технических наук, ФГУП «Гипроцветмет», Людин Ю.К. - кандидат технических наук, ФГУП «Гипроцветмет», Комаров Е.И. - доктор технических наук, МГОУ.
© Э.И. Богуславский, Д.Ю. Минаев, Ю.Л. Минаев, 2007
УДК 622.272
Э.И. Богуславский, Д.Ю. Минаев, Ю.Ё. Минаев
ЭКОНОМИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ВСКРЫТИЯ ПРИ КОМБИНИРОВАННОМ ВОСХОДЯЩЕНИСХОДЯЩЕМ ПОРЯДКЕ ОТРАБОТКИ КРУТОПАДАЮЩИХ РУДНЫХ ТЕЛ
Семинар № 17
Л ля мировой экономики последних лет характерна тенденция снижения цен на цветные и черные металлы, что предъявляет новые требования к конкурентоспособности их производства. При этом все более существенную роль играет уровень затрат на добычу исходного минерального сырья. Для России это обстоятельство усугубляется истощением большинства легкодоступных запасов руд цветных и черных металлов, осложнением горно-геологических условий их разработки и, как привило, снижением качества добываемых руд. Возрастает роль экологических проблем при разработке месторождений полезных ископаемых, в том числе подземным способом. Вместе с тем в России достаточно остро ощущается недостаток сырья для металлургических предприятий, что может быть компенсировано вовлечением в эксплуатацию новых месторождений и разработкой запасов руд на больших глубинах (более 500 м.) подземным способом. Одновременно необходимо снижение себестоимости добычи качественного рудного сырья [1].
В настоящее время в мировой практике повсеместно принят нисходящий порядок разработки месторождений полезных ископаемых. Для
этого производят вскрытие верхней части месторождения и начинают вести работы с постепенным углублением вскрывающих выработок и понижением горных работ. Общепринято, что выемка этажей по вертикали ведется в нисходящем порядке из-за преимуществ, состоящих в уменьшении капиталовложений при вскрытии первой ступени и быстрого ввода рудника в эксплуатацию.
В современных условиях при скорости проходки стволов 100 и более метров в месяц эти преимущества утратили свое значение. Поэтажное вскрытие, наоборот, вызывает перерасход капиталовложений на строительство рудника за счет последующей дорогостоящей углубки существующих, проходке слепых стволов или проведения новых стволов с поверхности. Анализ отечественного и зарубежного опыта проходки и углубки шахтных стволов позволил установить, что в среднем скорость проходки стволов с поверхности в 1,8 -4,6 раза выше скорости углубки таких же стволов. Если в 1960 - 1984 г. средняя скорость проходки вертикальных стволов шахт Кривбасса выросла с 20 до 70 м/мес, то скорость углубки выросла с 10 до 18 м/мес. [2]. Стоимость проходки ство-
лов с поверхности в среднем в 2-3 раза ниже стоимости углубки вертикальных стволов (или проведения слепых стволов). Кроме того, при уг-лубке стволов в условиях действующего рудника необходим ряд организационно-технологических мероприятий (оборудование проходческого подъема, обеспечение вентиляции проходческих работ, устройство предохранительных целиков и пр.), требующих соответствующих
финансовых затрат.
Мировой опыт разработки крутопадающих рудных месторождений показывает, что стволы стараются проходить на возможно большую глубину, сокращая количество ступеней вскрытия. В России для вскрытия запасов рудных тел «Северное» и «Ждановское» (Кольский п-ов, ГМК «Пе-ченганикель») были пройдены два ствола глубиной 1240 м. Золотоносная залежь рудника «Чемпион Риф» (Индия), одного из самых глубоких рудников в мире, была вскрыта единым стволом глубинной 2083 м. В ЮАР на руднике «Консолидейтед», разрабатывающем золотоносную жилу небольшой мощности, пройдено 3 ствола, два из которых слепые длиной 700 и 740 метров, а один выходит на поверхность и имеет длину 1250 метров. На руднике «Южный Ваал» (ЮАР), разрабатывающем золотоносные залежи, пройдены два ствола глубиной 2438 м [3]. На рудниках Канады глубина одноступенчатых стволов достигает 1800-2200 м.
Таким образом, основные преимущества отработки месторождения в нисходящем порядке со ступенчатой схемой вскрытия утратили свои значения, и возникла необходимость рассмотреть возможность применения новой нетрадиционной и перспективной геотехнологии, состоящей в выемке этажей по вертикали в восходя-
щем порядке. Сущность восходящей технологии отработки месторождения заключается в проходке вскрывающих выработок сразу на всю глубину распространения рудного тела (или на величину ступени вскрытия), проведении подготовительных и нарезных выработок на нижнем горизонте и начале выемки руды с нижнего горизонта, постепенно поднимаясь вверх по мере отработки запасов этажей. При этом над отрабатываемой камерой находится ненарушенный горными работами рудный массив, а под камерой - отработанные и заложенные камеры.
При восходящем порядке отработки месторождения существуют два варианта вскрытия. Первый предусматривает проведение основных вскрывающих выработок на всю глубину залеганий рудного тела, сооружение концентрационного горизонта и отработку всех запасов месторождения в восходящем порядке, начиная с нижнего горизонта.
Второй вариант предусматривает деление рудного тела на две (или более) очереди вскрытия и их последовательную отработку. При этом возникает вопрос о направлении ведения работ в пределах каждой из очередей вскрытия. Первую очередь целесообразно отработать в восходящем порядке с сооружением одного концентрационного горизонта на нижнем этаже, чему не мешают ни геомеханические, ни технологические факторы.
При отработке запасов второй ступени вскрытия возможны два направления ведения работ: восходящий и нисходящий. При отработке второй ступени вскрытия в восходящем порядке горные работы будут вести на сокращающийся целик (рис. 1) между первой и второй ступенями вскрытия, что может привести к горному удару.
направление
отработки
ступени
направление
отработки
ступени
Рис. 1. Напряжения в рудном массиве при восходящем порядке отработки второй ступени вскрытия: 1 - рудный массив; 2 - рабочая камера; 3 - породная закладка; 4 - твердеющая закладка
Большая глубина ведения работ (свыше 500 м.), наличие тектонических напряжений, практически повсеместно присутствующих на рудных месторождениях, тектонических разломов и трещиноватости, еще больше увеличивают вероятность возникновения динамических форм проявления горного давления и их энергии. Это потребует разработки специальных мероприятий по снижению напряжений в горном массиве, применение дорогостоящих систем с закладкой выработанного пространства, крепление подготовительных и нарезных выработок и выработок днищ блока, что приведет к увеличению себестоимости добываемой руды и уменьшению
производительности труда. При больших глубинах залегания и наличии высоких тектонических напряжений может возникнуть ситуация, когда запредельно большие напряжения в рудном массиве приведут к невозможности осуществления выемки руды.
При нисходящем порядке ведения работ в пределах второй ступени запасы руды будут отработаны сплошным забоем без оставления рудных целиков. При этом исчезают все описанные выше проблемы, а рудное тело будет отработано без потерь полезного ископаемого.
Исходя из вышесказанного, необходимо определить оптимальную вы-
Модель определения оптимальной глубины первой ступени вскрытия
Приведенные капитальные затраты
К =у кI Л
пр 1=1(1 + Е у ^(1 + Е У
Годовые эксплуатационные затраты
Э = С + С + С
доб подд вент
[
XX
Капитальные затраты первой и второй очередей вскрытия ]
Затраты на проходку стволов (с поверхности и слепых)
ОС
ОС
Затраты на проходку автоуклона с поверхности
Затраты на проходку горизонтальных выработок
Затраты на проходку капитального рудоспуска
Годовые затраты на добычу руды в блоке (Сао
Годовые затраты на поддержание выработок (Спо
Ч>[
Годовые затраты на вентиляция выработок (Све
Рис. 2. Укрупненный вид модели определения оптимальной глубины первой ступени вскрытия
соту первой ступени вскрытия, в пределах которой добычу руды будут вести в восходящем порядке (высота первой ступени вскрытия может быть равна и глубине залегания рудного тела). Для ее определения была составлена экономико-математическая модель, укрупнено показанная на рис. 2. Главной управляющей переменной является высота первой ступени вскрытия, второстепенной - угол падения рудного тела. Критерием в модели является величина приведенных затрат, рассчитываемая исходя из приведенных капитальных затрат и годовых эксплуатационных расходов. При традиционном нисходящем порядке ведения работ в пределах всего рудного тела при расчете высоты первой ступени вскрытия определяющими являются приведенные ка-
питальные затраты, а годовые эксплуатационные расходы оказывают минимальное влияние. Это происходит из-за того, что входящие в них затраты на поддержание выработок, водоотлив, вентиляцию и добычу руды по системе разработки не зависят от главной управляющей переменной.
Однако, при ведении работ в пределах первой ступени вскрытия в восходящем порядке, а в пределах второй - в нисходящем, усредненные годовые эксплуатационные расходы играют существенную голь на величину приведенных затрат. Основное влияние оказывает себестоимость добычи руды по системе разработки при различных направлениях ведениях работ, для расчета которой была составлена модель и написана программа на языке программирования Вог-
land Delphi. В модели учтены следующие статьи затрат:
• отбойка руды (бурение и заряжание скважин);
• доставка руды из блока до капитального рудоспуска;
• проведение подготовительных, нарезных и очистных выработок (при отнесении затрат этих затрат к вскрытию последние принимаются равными нулю);
• заполнение блока комбинированной сыпучей и твердеющей закладкой;
Программа рассчитывает себестоимость добычи руды в заданном диапазоне изменения значений угла падения и мощности рудного тела. Вывод результатов осуществляется в табличном виде и в виде графиков. Для расчета принята многостадийная система разработки со следующими параметрами: длина камер первой очереди 8 м., длина камер второй очереди 40 м., прочность твердеющей закладки камер первой очереди 3 МПа. При восходящем порядке ведения работ камеры второй очереди полностью заполняют сыпучей породной закладкой, а при нисходящем - 1/3 камеры заполняют твердеющей закладкой, а 2/3 - сыпучей породной. Камеры первой очереди в обоих случаях заполняют твердеющей закладкой [4].
В результате расчета разница между затратами на добычу руды по системе разработки при нисходящем и восходящем порядках составила порядка 35% в пользу последнего. Это происходит в результате сокращения затрат на закладку выработанного пространства, уменьшения объема нарезных выработок и сокращения разубоживание руды при восходящем порядке ведения работ [4].
Для учета разных направлений отработки первой и второй ступеней
вскрытия в модель расчета оптимальной глубины первой ступени вскрытия введена формула, позволяющая вычислять среднюю по рудному телу себестоимость добычи руды (Слоб) в зависимости от величины первой ступени вскрытия:
С = Свосх • (Н1 - Иаё ) + Сих • НП
ж6 (Н, - Нзал) + нв
где Свосх - затраты на добычу 1 т. руды по системе разработки при ведении работ в восходящем порядке, руб/т; Снисх - затраты на добычу 1 т. руды по системе разработки при ведении работ в нисходящем порядке, руб/т; Н, - размер первой ступени вскрытия, м; Н ц - размер второй ступени вскрытия, м; Нзал - расстояние от поверхности земли до верхнего контура рудного тела, м.
Таким образом, чем больше величина первой ступени вскрытия, тем больше капитальные затраты на первой стадии и срок строительства рудника, тем больше объем рудного тела, подлежащий отработке в восходящем порядке более дешевой системой разработки. Чем меньше величина первой ступени вскрытия, тем больше капитальные затраты на второй стадии вскрытия, меньше срок строительства и ввода рудника в эксплуатацию, тем больше объем рудного тела, подлежащий отработке в нисходящем порядке более дорогой системой разработки. Кроме того, увеличиваются отчисления за складирование на поверхности отходов производства. Результаты расчетов представлены на рис. 3, 4, 5.
Как видно на рис. 3., приведенные капитальные затраты минимальны при глубине первой ступени вскрытия 700-800 м. Это согласуется с ранее полученными результатами других исследователей и говорит о корректности составленной модели. Годовые
50
60
70
80
90
Глубина первой ступения вскрытия, м
Рис. 3. Зависимость приведенных капитальных затрат от глубины первой ступени вскрытия и угла падения рудного тела
о
ч:
о
50
60
70
80
90
Глубина первой ступени вскрытия, м
Рис. 4. Зависимость годовых эксплуатационных затрат от глубины первой ступени вскрытия и угла падения рудного тела
50 60 70 80 90 ■60 Н
Глубина первой ступени вскрытия, м
Рис. 5. Зависимость приведенных затрат от глубины первой ступени вскрытия и угла падения рудного тела
эксплуатационные расходы (рис. 4) монотонно убывают при увеличении глубины первой ступени вскрытия, что объясняется увеличением объема рудного тела, отработанного в восходящем порядке более дешевой системой разработки
Зависимость приведенных затрат от глубины первой ступени вскрытия (рис. 5) однозначно не устанавливает оптимум. Минимальная глубина первой ступени вскрытия составляет 800 м, при большей глубине приведенные затраты имеют равнозначные значения. Это говорит о том, что вопрос о глубине первой ступени вскрытия должен решаться на основании анализа других факторов : организационно-технических (выбора годовой производственной мощности предприятия, организации проведения слепых стволов второй очереди вскрытия на действующем концентрационном горизонте в условиях действующего рудника), финансовых (наличие средств
для вскрытия месторождения сразу на всю глубину, процент банковских кредитов), экологических (размещение в отработанных камерах отходов производства) и др.
Для сравнения на последнем графике приведена зависимость приведенных затрат от глубины первой ступени вскрытия при нисходящем порядке отработки и первой, и второй ступени вскрытия для угла падения рудного тела 60 град. (на графике эта кривая обозначена 60 Н). Видно, что при всех глубинах эта кривая лежит выше, чем аналогичная при восходя-ще-нисходящем порядке отработки месторождения.
В заключении хотелось бы отметить, что авторы придерживаются позиции вскрытия месторождения сразу на всю глубину и ведении работ в восходящем порядке в пределах всего месторождения. Это позволит избежать организационно-технических трудностей при проведении слепых стволов, изменении технологии добы-
чи руды при переходе к отработке второй ступени, снизит разубожива-ние руды закладочным материалом при отработке второй ступени, позволит разместить в отработанных камерах большой объем отходов горного производства и соответственно
1. Волков Ю.В., Смирнов А.А., Соколов И.В., Камаев В.Д. Подземная геотехнология разработки с восходящей выемкой. Известия ВУЗов. Горный журнал, №3, 2003 г.
2. Воронюк А.С. Рациональные схемы и параметры вскрытия рудных месторождений. - М.: Недра, 1993 г.
снизить плату за их размещение на поверхности, варьировать высоту этажа и подэтажа при изменении горно-геологических условий, размещать в отработанных камерах подземные комплексы по переработке минерального сырья и др.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. HILL F.G., MUDD J.B. Deep Level Mining In South Africa Gold Mines. The 5th International Mining Congress, 1967.
4. Минаев Д.Ю., Богуславский Э.И. Расчет параметров искусственных целиков при восходящем порядке отработки месторождения. Записки горного института, т. 156, СПб, 2004 г. ШИЗ
— Коротко об авторах---------------------------------------------------------
Богуславский Эмиль Иосифович - доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Общей и технической физики»,
Минаев Дмитрий Юрьевич - аспирант кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых»,
Минаев Юрий Леонидович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых».
Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет).
---------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ОВЧИННИКОВА Татьяна Юрьевна Закономерности изменения фракционного состава продуктов обогащения 25.GG.13 к.т.н.
