CC BY
53
© Н.Н. Мельников, А.А. Козырев,
B.М. Бусырев, О.Е. Чуркин,
C.В. Жабин, 2010
УДК 622.228+502.7
Н.Н. Мельников, А.А. Козырев, В.М. Бусырев,
О.Е. Чуркин, С.В. Жабин
КОНСЕРВАЦИЯ ПОДЗЕМНОГО РУДНИКА КАК СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ УЩЕРБА НЕДРАМ
Определен экономический ущерб от возможных потерь запасов флогопитового сырья Ковдорского месторождения из-за гидратации слюды и рассмотрены варианты дальнейшей его эксплуатации, предотвращающие ущерб недрам Ключевые слова: рудник, гидратация, горные выработки, сухая консервация.
Семинар № 9
1ГЛовдорское флогопитовое ме-
.ж\ сторождение, за открытие которого в 1960 г. присуждена Ленинская премия (А.В. Сидоренко, В.И. Терновой, Б.И. Сулимов и др.), введено в эксплуатацию в 1965 г., что позволило сразу же преодолеть существовавший в стране дефицит во флогопитовом сырье. В последующий период эксплуатация месторождения давала 85-90% флогопитовой продукции, а с 1992 г. после закрытия рудников Восточной Сибири оно стало единственным источником производства этого вида сырья в России.1
Благодаря уникальным свойствам слюды - флогопита диапазон применения полученной из него продукции весьма широк (рис. 1) при высоких на нее ценах: 1 т молотой слюды 8-9 тыс. руб., промышленного сырца 23-24
1 Мировое производство слюды в этот период сохранило тенденцию к росту и расширению сфер использования сырья, включая создание новых производственных мощностей (Канада, Китай).
тыс. руб., грубоколотых подборов 6070 тыс. руб.
Запасы месторождения составляют свыше 80% слюды-флогопита от всех учтенных Г осбалансом Российской Федерации. Оно представлено крупными, мощностью до 100-200 м, компактно расположенными крутопадающими залежами, содержание флогопита в которых в несколько раз превосходит его содержание месторождений Восточной Сибири.
По этим признакам Ковдорское месторождение занимает особое положение как объект минерально-сырьевой базы России и требует повышенного внимания к проблемам его освоения.
Разработка месторождения вначале велась подземным способом на Главной и Западной залежах, вскрытых до горизонта +104 м двумя стволами глубиной 180 м. Затем, в период с 1985 по 1987 гг., ввиду намечавшегося спроса на фло-гопитовую продукцию, Главную залежь стали отрабатывать комбинированным способом, начав отработку ее верхних горизонтов карьером над выработанным подземным пространством (рис. 2). С 1993 г. из-за падения спроса на слюдяную про-
Рис. 1. Виды и области использования флогопитовой продукции
дукцию на внутреннем рынке добыча ведется только карьером. Подземные работы на Главной и Западной залежах, имеющих общую систему вскрытия, вентиляции, водоотлива и транспортировки, прекращены.
Одновременно с изменением способа разработки осуществлено перераспределение оставшихся запасов месторождения. В распоряжении недропользователя ОАО «Ковдорслюда» остались запасы Главной залежи до горизонта +132 м (табл. 1), основные запасы Главной и Западной залежей (табл. 2) переведены в государственный резерв (82,5% от всех запасов). Поэтому возникла необходимость сохранения такого количества запасов. Особенность возникшей ситуации заключается в следующем.
В результате изучения массива пород, выполненного в ходе геологоразведочных работ, установлено, что после образования флогопитоносных зон в их верхних горизонтах шел процесс последовательного преобразования флогопита в гидрофлогопит, вермикулит и сун-гулит под воздействием грунтовых и подземных вод. Химическая природа гидратации заключается в выщелачивании из кристаллической решетки флогопита катионов калия, сопровождающемся внедрением и фиксацией в вакантных позициях молекул воды. В результате этого происходит потеря электротехнических, тепловых и упругих свойств слюды.
Рис. 2. Главная залежь
Процесс гидратации проходит при контактах кристаллов с водной средой [13], причем этому процессу способствует характерная для Ковдорского флогопита деформированность кристаллов (начальная стадия гидратации проявляет себя уже по истечении 75-80 суток). Гидратация флогопита обнаружена и при длительном содержании его в отбитой замагазиниро-ванной руде подземных камер при обычной влажности рудничного воздуха.
При изучении гидрогеологических
условий месторождения выявлены два горизонта подземных вод. Первый приурочен к четвертичным отложениям мощностью до 1,5 м, второй - к коре выветривания, представленной сунгули-том, вермикулитом, гидрофло-гопитом, оливиновыми и пироксеновыми дезинтегрированными рыхлыми породами мощностью до 30 м. Благодаря трещиноватости коренных пород общая мощность водоносного горизонта достигает в среднем 150 м. Поверхность в районе расположения месторождения представляет слабо наклонную котловину, окруженную возвышенностями. Таким образом, природные условия благоприятствуют стоку вод и их инфильтрации в водоносный горизонт.
Максимальные водопри-токи подземных вод в подземный рудник весной достигают 72 м3/час, в остальное время до 30 м3/час и за год
Таблица 1
Запасы Главной залежи Ковдорского флогопитового месторождения, переданные по дополнительным условиям лицензии МУР 00205-ТЭ ОАО «Ковдорслюда» (забойный сырец - кристаллы слюды площадью не менее 4 см2) (по состоянию на 01.01.07)
Категория разведанности Жильная масса, 3 тыс.м Забойный сырец, тыс.т Содержание, кг/м3
В 848,3 239,2 282
Сі 193,7 22,5 116
В+ С1 1042,0 262,6 252
С2 229,3 12,8 56,1
Таблица 2
Запасы нераспределенного фонда недр на Главной и Западной залежах Ковдорского флогопитового месторождения
Залежь Категория разведанности Забойный сырец, тыс. т
Главная В 319,3
C1 367,5
В+Q 686,8
C2 872,8
Западная C1 515,8
C2 3555,3
Всего В+Q 1202,6
C2 4428,1
до 300-330 тыс. м3. Их химический состав преимущественно гидрокарбонатнонатриевый.
Кроме подземных вод в рудник поступает вода за счет атмосферных осадков, собираемых карьером. По данным многолетних наблюдений среднегодовое количество осадков за последние пять лет составляет 560 мм. В настоящее время при площади карьера по верхнему контуру около 450 тыс. м2 среднегодовой приток в подземные выработки за счет водосбора ее карьером составляет 2000-2500 тыс. м3. Суммарный водопри-ток подземных вод и атмосферных осадков в среднем достигает 250 м3/час и за месяц 180 тыс. м3. Такого водопри-тока достаточно, чтобы подземные выработки (проходческие и очистные) ниже горизонта +132 м, общий объем свободного пространства которых (табл. 3) равен 785,8 тыс. м3, оказались полностью затопленными за 4-5 месяцев в случае отказа от их содержания в режиме сухой консервации.
В связи с создавшимся положением Г орным институтом КНЦ РАН по заказу Федерального агентства по недропользованию проведена работа по выяснению возможных масштабов потерь запа-
сов флогопита в нераспределенном фонде недр, ожидаемого экономического ущерба, разработке и оценке мероприятий по их предотвращению.
Разветвленная сеть горных выработок протяженностью свыше 12 км и 30 отработанных очистных камер, общий объем которых составляет 813,7 тыс. м3, обеспечивают достаточно широкий фронт для доступа воды к запасам нераспределенного фонда недр в случае затопления подземного рудника. Общая площадь обнаженной поверхности, созданной проходческими и очистными выработками в этих запасах, достигает 242,4 тыс. м2, в том числе созданная первыми 101,8 тыс. м2 и вторыми - 140,6 тыс. м2.
Для определения глубины трещино-образования и нарушенности массива в приконтурном слое выработок были проведены исследования с применением различных методов: реометрический
метод, телевизионная съемка, ультразвуковой каротаж, контроль разрушения и анализ керна скважин, расчеты параметров разрушенных зон. По полученным данным телесъемки 8 скважин мощность приконтурных зон с повышенной трещиноватостью (нарушенностью) не превышает 2,5 м. Анализ керна по 94 скважинам показал, что нарушенный слой
Таблица 3
Объем свободного пространства в горных выработках Ковдорского флогопитового месторождения ниже отметки +132 м
Выработки Объем выработанного пространства, тыс. м3
Полный За исключением оставленной руды
Очистные камеры 813,7 719,4
Горно-капитальные и подготовительные работы 66,4 66,4
Всего 880,1 785,8
Таблица 4
Обобщенные данные о нарушенности пород и участках водопритоков в приконтурной части горных выработок и в массиве
№ Метод Нарушенная зона в приконтурной области выра-боток Ll, м Нарушенная зона в при-контурной области выработок при влиянии камер Ь* м Относительная нарушенность в массиве Кн, % Водоприток
1 Реометрия 0 - - -
2 Телесъемка 2,5 2,5 16 Наблюдался по 5 скважинам
3 Ультразвук 1 - - -
4 КРС - - 14 - 32 -
5 Керн 1,3 1,3 14 -
6 Расчет 0,64 1,02 - -
составляет в среднем 1,3 м. Расчетным методом получена величина нарушенной зоны для проходческих выработок 0,64 м, для очистных - 1,02 м.
Обобщенные данные по всем применявшимся методикам (табл. 4) показали наличие нарушенной зоны, мощность которой достигает 0,4-0,6 м (до 1 м) у проходческих выработок и до 2-2,5 м в районе очистных камер. Кроме того, выявлены ослабленные зоны с пониженными физико-механическими свойствами, связанные с флогопитовыми включениями, которые достигают до 14-16% от общего массива.
При мощности нарушенного прикон-турного слоя проходческих выработок 0,5
м и очистных камер 2 м запасы жильной массы в этом слое составляют 357 тыс. м3, флогопита 92,34 тыс. т (табл. 5). С учетом флогопита в объеме 21,3 тыс.т, находящегося в отбитой руде в очистных камерах, гидратации могут подвергнуться 113,64 тыс. т флогопита.
В производственных условиях при выполнении процессов добычи, извлечения забойного сырца из добытой руды и переработки в товарную продукцию не представляется возможным обнаружить и отделить гидратированные кристаллы от негидратированных, поскольку по внешним признакам они неразличимы. К гидратированным следует отнести не только те кристаллы, в которых гидратация прошла в полном объеме, но и те, у которых гидратированными оказались их отдельные участки, поскольку полученная из них продукция не будет отвечать требуемому качеству.
Забойный сырец, по которому подсчитаны запасы месторождения, не относится к товарной продукции и цена
Таблица 5
Запасы жильной массы и флогопита (категорий В+С]) в приконтурном слое горных выработок в нераспределенном фонде недр на Главной и Западной залежах
Горные выработки Запасы жильной массы, 3 тыс. м Содержание флогопита, кг/м3 Запасы флогопита, тыс. т
Очистные камеры 298,1 258,7 77,1
Проходческие выработки 58,9 258,7 15,24
Итого 357,0 258,7 92,34
на него не устанавливается.
Состав и количество товарной продукции по видам, выпускаемым из забойного сырца, в значительное мере зависят от конъюнктуры рынка и могут существенно корректироваться. В целях оценки возможного экономического ущерба недрам определена цена забойного сырца в зависимости от выхода товарной продукции и ее рыночной стоимости за 2008 год, которая составила 13 тыс. руб. за 1т.
При этом валовая ценность запасов забойного сырца в приконтурном слое и оставленного в магазинах камер, теряемых из-за гидратации в случае затопления подземного рудника, может составить 1478 млн. руб. (табл. 6).
По своей величине ожидаемые потери более чем на порядок превышают годовую производительность ОАО «Ковдорслюда» в современных условиях.
Следует иметь ввиду, что при дальнейшем вовлечении запасов нераспределенного фонда недр невозможно осуществить раздельную отработку запасов приконтурного слоя. Эти запасы неизбежно будут смешаны с основными запасами и в случае, если флогопит в них окажется гидратированным, существенно ухудшат качество будущей товарной продукции. Таким образом, масштабы экономического ущерба недрам в случае затопления подземного рудника могут оказаться более обширными.
Таблица 6
Валовая ценность сохраняемых запасов
Запасы фло- Валовая
гопита, ценность,
тыс. т млн. руб.
Приконтурный слой 92,34 1201
Магазины камер 21,3 277
Всего 113,64 1478
В настоящее время расходы на содержание подземных выработок в режиме сухой консервации составляют 12 млн. руб. в год. Общая сумма этих расходов и их источник (государство и недропользователь), имея ввиду, что охраняемый объект относится к нераспределенному фонду недр, во многом зависит от дальнейшего развития горных работ на месторождении.
По горно-геологическим и горнотехническим условиям, сложившимся к настоящему времени, дальнейшая эксплуатация Главной залежи Ковдор-ского месторождения может вестись одним из следующих вариантов:
Вариант 1. Разработка открытым способом запасов распределенного фонда недр до горизонта +132 м и последующая затем отработка запасов нераспределенного фонда недр.
Вариант 2. Разработка открытым способом запасов распределенного фонда недр и последующая затем отработка запасов нераспределенного фонда недр подземным способом.
Вариант 3. Разработка открытым способом одновременно запасов распределенного и нераспределенного фондов недр путем последовательного развития горных работ.
Вариант 4. Разработка комбинированным открыто-подземным способом одновременно запасов распределенного и нераспределенного фондов недр.
Во всех случаях вовлечение в эксплуатацию запасов ниже горизонта +132 м предполагает получение лицензии на эти запасы (или корректировку существующей) и содержание подземных выработок в сухом состоянии за счет недропользователя.
Ниже (табл. 7) приведены сводные показатели по вариантам возможного развития горных работ на месторождении в случае сохранения годовой произ-
водительности горного предприятия на современном уровне в объеме 10000 т забойного сырца.
Как видно из этих данных, расходы на содержание подземных выработок в сухом состоянии в течение всего срока отработки запасов Главной залежи, составляющем 55 лет, по современным ценам достигают 660 млн. руб. при валовой ценности запасов 1478 млн. руб.
При вариантах 1 и 2 отработка запасов распределенного фонда недр выше горизонта +132 м будет длиться в течение 24 лет. Если недропользователь в течение этого времени обязывается содержать подземные выработки в сухом состоянии, то у него сохраняются основания для возмещения государством расходов, которые он понесет на эти работы. В дальнейшем горные работы на месторождении могут вестись, если недропользователь получит лицензию на пользование запасами ниже горизонта +132 м. В первом варианте при отработке запасов открытым способом он будет обязан содержать выработки в сухом состоянии, чтобы исключить потерю запасов от гидратации, без обращения за го-
Таблица 7
Расходы по предотвращению ущерба недрам
Показатели Варианты
1 2 3 4
Продолжительность режима сухой консервации всего, лет. 55 24 55 5
В том числе:
- с возмещением затрат 24 24 5 5
- без возмещения затрат 31 - 50 -
Расходы на сухую консервацию всего, млн. руб. 660 288 660 60
В том числе:
- с возмещением 288 288 60 60
- без возмещения 372 - 600 -
Валовая ценность сохраняемых запа-сов на современном уровне, млн. руб. 1478 1478 1478 1478
сударственной поддержкой. Во втором варианте при отработке запасов ниже горизонта +132 м подземным способом затраты на содержание выработок в сухом состоянии будут входить в текущие эксплуатационные расходы.
При вариантах 3 и 4 недропользователь вправе рассчитывать на поддержку государства его работ по содержанию подземных выработок в сухом состоянии только на время, необходимое для вовлечения запасов нижних горизонтов в одновременную отработку с запасами верхних горизонтов (ориентировочно 5 лет). После этого момента содержание подземных выработок в сухом состоянии войдет в обязанности недропользователя.
Разработка Ковдорского флогопитово-го месторождения открытым способом в перспективе может встретиться с рядом существенных осложнений. Во-первых, за длительный период с 1993 г. добыча руды в карьере велась с отставанием вскрышных работ. По некоторым оценкам для его ликвидации текущий коэффициент вскрыши должен достигать уровня 20 м3/м3, при том, что по проекту института Гипронинеметаллоруд (1989 г.) он также достаточно большой (7,2 м3/м3). Учитывая это обстоятельство, а также малые годовые объемы добычи (около 50 тыс. м3), достичь экономически выгодных показателей не представляется возможным. Во-вторых, рудный массив под дном карьера отрезан от вмещающих пород очистными камерами, располагающимися по периметру залежи на 2/3 его длины. Объем выработанного пространства достигает 231,7 тыс. м3. Отработка месторождения с за-
Среднегодо-
вая
полнением выработанного пространства путем обрушения руды верхних горизонтов недопустима, т.к. приведет к значительным потерям флогопита от той же гидратации. Отработка с заполнением камер скальными породами потребует проходки перепускных восстающих и значительных затрат как на закладоч-
1. Зосин А.П., Кошкина Л.Б., Кременецкий В.Г. Влияние гидратации на технические свойства флогопита Ковдорского месторождения. // Геология неметаллических полезных ископаемых Кольского полуострова. - Апатиты, КФАН СССР, 1982. - С. 125-133.
2. Зосин А.П., Кременецкий В.Г., Кошкина Л.Б. О признаках начальной стадии гидратации
ные работы, так и выемку дополнительного объема пустых пород. По этим предварительным оценкам более пристального внимания заслуживает вариант открыто-подземной разработки Главной флогопитовой залежи Ковдорского месторождения.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
// Силикатные материалы из минерального сырья. - Л.: Наука, 1983. - С. 119-124.
3. Способ оценки допустимых сроков хранения отбитого флогопита / А.П. Зосин, В.Г. Кременецкий, Л.Б. Кошкина, Ю.Т. Комаров. - Л.: Наука, 1983. - С. 124-128. \ЕШ
г Коротко об авторах
Мельников Н.Н. - академик РАН, директор Горного института КНЦ РАН,
Козырев А.А. - профессор, доктор технических наук, зам. директора по научной работе, Бусырев В.М. - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник,
Чуркин О.Е. - кандидат технических наук, зав. лабораторией,
Г орный институт КНЦ РАН, root@goi.kolasc.net.ru
Жабин С.В. - начальник Управления по недропользованию по Мурманской области.
А
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ЧИТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
НАСОЛОВЕЦ Наталья Борисовна Защита атмосферы от пылегазовых загрязнений на карьерах и угольных разрезах Восточного Забайкалья 25.00.36 к.т.н.
