CC BY
336
-------------------------------- © В.В. Заворницын, В.Р. Асадуллаев,
2010
УДК 622.271:622.272
В.В. Заворницын, В.Р. Асадуллаев
КОМБИНИРОВАННЫЙ СПОСОБ ОТРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Показано, что главная цель комбинированного способа разработки - повышение эффективности как открытых, так и подземных работ за счет совместного использования их благоприятных технологических особенностей. Выявлена связь угла откоса борта карьера с эффективностью отработки месторождения как с экономической, так и с экологической точки зрения. Доказано, что такая технология позволяет резко снизить приведенные затраты на добычу полезных ископаемых, сократить ущерб, наносимый горным производством окружающей среде и повысить интенсивность отработки месторождения.
Ключевые слова: безуступная технология, комбинированный способ, буровыпускная выработка, способ разработки.
Семинар 13
ЖЭ отечественной и зарубежной практике ведения горных работ все более широкое применение находит комбинированная разработка месторождений полезных ископаемых, предусматривающая совмещенное (одновременное или последовательное) ведение открытых и подземных горных работ на одном месторождении и обеспечивающая более полное извлечение и охрану недр с меньшими затратами на добычу минерального сырья и снижение вредного влияния на окружающую природную среду. Главная цель комбинированного способа разработки - повышение эффективности как открытых, так и подземных работ за счет совместного использования их благоприятных технологических особенностей.
Эффективность разработки месторождений открытым способом напрямую зависит от объемов вскрыши в контуре карьера. Объемы вскрышных пород, в свою очередь, определяется углами откоса бортов карьера. При этом в зависимости от
глубины разработки, влияние угла борта карьера на объемы горной массы в его контуре имеет геометрическую прогрессию. Таким образом, существует непосредственная связь угла откоса борта карьера с эффективностью отработки месторождения как с экономической, так и с экологической точки зрения. Принимая во внимание все вышесказанное можно сформулировать задачу следующим образом. Создать сконструированные заранее условия отработки месторождения открытым способом с крутыми бортами, используя преимущества подземной технологии.
Сама постановка задачи исходит из того, что горнотехнические условия разработки месторождения открытым способом установлены и неизменны.
В зарубежной практике (Япония, Канада, США) известны случаи применения подобной технологии при разработке ценных руд в условиях, когда было необходимо сохранить плодородные земли. Такой способ подготовки обеспечивает ведение открытых горных работ
с очень низким коэффициентом вскрыши и минимальной площадью нарушаемых земель. Данная технология была названа «безуступной» или «отработкой колодцем».
Авторами предлагается способ, при котором для поддержания бортов карьера (или так называемого колодца) в устойчивом положении используются отработанные в опережающем порядке подземные камеры, заполненные твердеющей закладкой. Они могут быть вертикальными или наклонными - под углом 60-80° - в зависимости от условий устойчивости пород массива. Порядок отработки рудного тела новой комбинированной технологией следующий. Изначально необходимо определить контур зоны разработки по данным геологоразведки. За полученным контуром сверху вниз проходят спиральную наклонную выработку, с заданным уклоном удовлетворяющим использование самоходного оборудования. Параллельно проходки спиральной выработки, по контуру зоны разработки формируют выработанное пространство для сооружения опережающей крепи (колодца) путем последовательной отработки камер первой и второй очереди. Для этого из спиральной выработки проходят буровыпускную выработку, из которой разбуривают и отбивают камерные запасы. Отбитую горную массу, самоходным оборудованием вывозят на поверхность по спиральной выработке.
После завершения выпуска и зачистки почвы отработанных камер, выработанное пространство закладывают твердеющей смесью. Вторичные камеры начинают отрабатывать только по достижении закладочной смесью в первичных камерах, нормативной прочности. Вентиляцию осуществляют нагнетательным способом с подачей свежей струи возду-
ха по вентиляционным скважинам. После сооружения одного витка крепи приступают к разработке запасов внутри колодца открытым способом. При этом основное направление работ принимают от центра к периферии (к крепи колодца). Параллельно с отработкой основных запасов месторождения ведут наращивание крепи (колодца). В последнюю очередь отрабатывают запасы под траншеей. В этом случае руду на поверхность выдают по спиральной выработке.
В качестве примера применения без-уступной технологии рассмотрена разработка Шемурского и Ново-Шемурского месторождения медноколчеданных руд (Ивдельский район Свердловской области). Находясь на севере области 2,5 км от заповедника «Де-нежкин камень», они безперспективны для разработки традиционным способом, ввиду малой эффективности и большой экологической опасности. Минимальное нарушение недр при данной технологии отработки делает ее весьма актуальной.
Выработке практических рекомендаций по отработке Шемурских месторождений безуступной технологией предшествовал определенный объем исследований в задачу которых входил создание аппарата расчетных формул по определению типа и параметров крепи ствола большого диаметра в зависимости от фактического состояния горных пород моделирование на эквивалентных материалах для определения характера изменения давления на крепь вертикальной выработки в зависимости от ее радиуса, а так же величин горизонтальных составляющих напряжения и соотношения между ними.
Рудная зона Шемурского месторождения имеет мощность в северной и
центральной частях до 200 м. Угол падения рудной зоны достигает 50°. Цен-
тральная часть месторождения выходит на поверхность.
Рис. 1. Технология возведения кольцевой крепи: 1 - камеры первой очереди; 2 - камеры второй очереди; 3 - спиральный съезд; 4 - буровыпускные выработки
Всего на Шемурском месторождении выделено 9 рудных тел. Балансовые запасы сосредоточены в первом рудном теле (99,6). Согласно кондициям на месторождении выделяются следующие типы руд:
• медные (среднее содержание меди 1,71 %, цинка 0,21 %, серы 43,10 %);
• серноколчеданные (составляют 17,3 % от балансовых запасов. Среднее содержание серы 45,3 %).
Вредные примеси в рудах представлены свинцом, мышьяком, сурьмой и фтором. Балансовые запасы медных руд категории С1+С2 составляют 5,1 млн т.
Установлен технологический регламент отработки Шемурского месторождения традиционным способом. Пара-
метры карьера: глубина 120 м, длина 630 м, ширина 370 м. Объем добычи горной массы - 10 720 тыс. м3, в том числе вскрыша 8920 тыс. м3. Средний коэффициент вскрыши - 1,7 м3/т. Производительность карьера по руде 800 тыс. т/год. По вскрыше 1500 тыс. м3/год. Срок существования карьера 8,5 лет.
С использованием расчетных формул и результата моделирования были получены данные по конструкции и параметрам крепи при отработке Шемурско-го месторождения безуступной технологией. При расчете толщины крепи принимали во внимание внешний диаметр, равный 200 м.
После сравнения различных параметров крепи наиболее оптимальной ка-
залась кольцевая крепь с верхней отметкой 750 м, наружным диаметром по верху 100 м, наружным диаметром по низу 50 м (отметка 630 м), высота 120 м, толщиной 14 м. Карьер располагается в геологических блоках с наибольшими запасами руды между геологическими разрезами по линии 37 и 40.
Конструктивно крепь представляет собой спираль из четырех витков. Для создания кольцевой крепи необходимо 800 тыс. м3 закладочного материала. Объем горной массы, подлежащей выемке внутри кольцевой крепи, составляет 1126 млн м . Для сооружения кольцевой крепи необходимо пройти наклонный съезд сечением 17 м2 по спирали с углом наклона к горизонту 6о. Трасса съезда соответствует проектному контуру колодца на расстоянии 15-20 м от него. По мере проходки наклонного съезда формируют камеры для создания кольцевой крепи. Каждая камера кольцевой крепи имеет длину 50 м, ширину 14 м и высоту 40-45 м и сбивается со спиральным съездом буровыпускными выработками. Всего для создания кольцевой крепи необходимо отработать 30 камер со средним объемом 28 тыс. м3. Техно-
логия возведения кольцевой крепи позволяет иметь одновременно в работе семь камер, а к началу открытых работ внутри колодца должны быть готовы как минимум два витка кольцевой крепи т.е. необходимо отработать подземным способом 14 камер, для чего потребуется 3 года.
Отработка запасов внутри колодца осуществляется вскрытием внутренними траншеями с выдачей горной массы по спиральному съезду. Для обеспечения высокой точности бурения и с целью охраны кольцевой крепи от последствий проведения буровзрывных работ рекомендуется бурение наклонных сближенных скважин малого диаметра с отступлением ближнего к крепи ряда скважин не менее чем на 1,2 м. Дополнительные природоохранные мероприятия, предусмотренные регламентом (искусственное увлажнение пород с улавливанием пыли, гидроизоляция, нейтрализация карьерных вод и др.), сохраняются и даже оказываются более эффективными за счет концентрации горных работ при новой технологии.
Рис. 2. Комбинированный способ отработки Ново-Шемурского месторождения:
1 - проектный контур карьера; 2 - новый контур карьера; 3 - наклонный съезд; 4 - кольцевая крепь
Запасы руды, млн м3
Аналогично предлагается отработать и Ново-Шемурское месторождение. Рудная зона вытянута субмеридионально на 1000 м при наибольшей ширине 500 м. Основные запасы (более 95 %) сосредоточены в главной группе рудных тел, расположенных сравнительно компактно, но на большом интервале глубин -от 6 до 380 м. Поэтому эта часть месторождения разделена на два участка: Центральный, выше горизонта 240 м. и Юго-восточный на глубине 180-380 м. Руды медные и медно-цинковые. Запасы категории С1-С2 составляют 12,8 млн т со средним содержанием меди 1,62 % цинка 3,65 %.
Проектный вариант карьера на все месторождение глубина 370 м, длина 1,6 км, ширина 1,4 км. Объем добычи горной массы 247 млн м3, в том числе вскрыши 239 млн м . Альтернативный проектному предлагается комбинированный способ отработки.
Центральная часть месторождения выше горизонта 240 м отрабатывается карьером глубиной 190 м. Объем горной массы 31,0 млн м3. Юго-Восточный участок месторождения ниже отметки 200 м отрабатывается по новой безуступной технологии, причем календарный гра-
фик подготовки, строительства и эксплуатации рудника составлен таким образом, что за время отработки карьера (до абсолютной отметки 200 м) будет сооружен подземным способом «колодец» до отметки 50 м. Параметры его примерно такие же, как и при отработке Шемурского месторождения. Для оптимизации параметров технологии комбинированной отработки безуступным способом необходимо найти прибыль, которая является разностью между экономией затрат на вскрышу и затратами на возведение кольцевой крепи подземным способом.
Затраты на возведение кольцевой крепи включают стоимость проходки наклонного съезда и подземной отработки камер с закладкой их твердеющей смесью. Основные технико-
экономические показатели отработки Шемурского и Ново-Шемурского месторождений с использованием безуступ-ной технологии разработки в сравнении с проектным традиционным вариантом приведены в таблице. Из них следует, что при разработке месторождений по новой технологии объемы выемки горной массы в 5-8 раз меньше, чем при традиционной, с сохранением объема добычи металла на уровне проектного. Все вышеизложенное свидетельствует о том, что отработка Шемурских месторождений, содержание и запасы металла в которых ниже среднеотраслевых, традиционной технологией нерациональна.
Только новая технология позволяет значительно (в разы) снизить объем вскрыши и за счет этого свести к минимуму нарушаемость земель при минимальных затратах на добычные работы. Экологические проблемы горного про-
Технико-экономическое сравнение способов разработки
Месторождение
Показатель Ново-Шемурское Шемурское
Вариант Вариант
Проектный Новый Проектный Новый
Общий объем горной массы, млн м3 247,0 31,0 40,7 2,1
В том числе:
Вскрыша, млн м3 238,7 27,6 8,9 -
Руда, млн м3 8,3 5,5 4,8 2,0
Общая себестоимость 1 м3 горной массы, р 1026,6 254,5 193,0 180,0
Общие затраты на отработку место-рождения, млн р 8521,0 1403,0 3475 360,0
изводства также получают свое решение: здесь и гидроизоляция вскрышных пород и нейтрализация грунтовых вод, и искусственное увлажнение пород с улавливанием пыли и т.д. Хочется надеяться, что все эти мероприятия будут осуществлены и при реализации нового варианта. Но если есть возможность при разработке месторождения извлечь горной массы в 5 раз меньше с теми же показателями извлечения металла, то из двух зол следует выбирать меньшее.
В заключение необходимо отметить следующее:
1. Проведенные исследования и предпроектные проработки по экономической эффективности применения но-
вого комбинированного способа разработки показали, что такая технология позволяет резко снизить приведенные затраты на добычу полезных ископаемых, сократить ущерб, наносимый горным производством окружающей среде и повысить интенсивность отработки месторождения.
2. Развитие и обоснование предложенной технологии потребует нового подхода к ведению открытых и подземных горных работ, применение новых конструктивных решений, а так же более углубленного изучения механизма взаимодействия системы борт карьера кольцевая крепь с геомеханической точки зрения.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Ржевский В.В. Проблемы горной промышленности и комплекса горных наук В.В. Ржевский. М.: Науч. изд-во МГИ, 1991. ШИН
— Коротко об авторах
Заворницын В.В. - старший научный сотрудник, direct@igd.uran.ru Асадуллаев В.Р. - старший научный сотрудник, direct@igd.uran.ru Институт горного дела Уральского отделения РАН.
