Концептуальная модель и принципы проектирования технологии освоения рудных месторождений комбинированным способом Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 8

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -

2000"

МОСКВА, МГГУ, 31 января - 4 февраля 2000 года

: ^Д.Р. Каплунов, В.Н. :Калмыков,

М.В. Рыльникова, 2000

УДК 622.27

Д.Р. Каплунов, В.Н. Калмыков, М.В. Рыльникова

КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ И ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ОСВОЕНИЯ

ГД

|Ц....щ

МИЛ!

А

КОМБИНИРОВАННЫМ

нализ отечественного и зарубежного опыта разработки рудных месторождений показал, что большинство мощных залежей наклонного и крутого падения со значительной глубиной

распространения разрабатывают комбинированным способом. В отечественной практике наибольшее распространение получили открытоподземная и совместная схемы разработки (рис. 1). В первом случае наибольшие технические сложности возникают в переходный период с открытого на подземный способ. Основной экономический эффект достигается на начальном этапе разработки, а инвестирование строительства подземного рудника осуществляется в период затухания открытых горных работ,

характеризуемый минимальными экономическими показателями.

Вариант совместной отработки запасов обеспечивает высокую интенсивность освоения

месторождения, требует взаимной увязки планов горных работ повышенных капитальных затрат в начальный период, что оправдано при повышенной потребности в данном виде минерального ресурса. Оба варианта были применимы

исключительно в условиях централизованного финансирования при высокой ценности минерального сырья.

При переходе к рыночной

экономике в условиях

самофинансирования предприятий

СПОСОБОМ

наибольшее распространение

получили две концептуальные модели освоения месторождения - с последовательным или

последовательно-параллельным переходом с открытой на подземную разработку с включением в проект отработки переходной зоны комбинированной геотехнологии (см. рис.1)..

При последовательной открытоподземной схеме запасы

месторождения по глубине

разбиваются на три яруса - открытый, переходная зона и подземный.

Методами экономического расчета находятся границы эффективного применения соответственно

открытой, комбинированной и подземной геотехнологий. Первыми вводятся в эксплуатацию запасы верхней зоны. Глубина карьера на этом этапе определяется сравнением с показателями не подземной, а комбинированной технологии,

сформированной на основе рационального сочетания физикохимических и физико-технических технологических процессов

различных способов разработки и за счет этого обеспечивающей более высокие экономические показатели. Область применения

комбинированной геотехнологии и соответственно глубина переходной зоны определяется по

геомеханическим условиям.

Последовательно-параллель-ная схема отработки запасов

месторождения предполагает, что ввод подземного рудника календарно должен обеспечивать

заблаговременную отработку

приконтурных запасов и создание взамен их искусственного разделительного целика, после

твердения которого возможно

освоение запасов промежуточного открыто - подземных ярусов

параллельно с развитием подземных работ на нижних горизонтах подземного рудника. Инвестирование строительства капитальных

выработок подземного рудника

осуществляется за счет прибыли получаемой на первом этапе открытой разработки, характеризуемой

высоким уровнем рентабельности при небольшой глубине и высокой

эффективности открытых горных

работ. Для сокращения затрат на

строительство подземного рудника активно используется карьерное пространство, из которого производятся очистные работы по выемке запасов, осваиваемых за предельными контурами в основании и бортах карьера.

Проектирование освоения запасов всех ярусов производится комплексно в рамках единого проекта, что позволяет обеспечить календарную и технологическую увязку всех решений. Комплексный подход к освоению месторождений позволит: уменьшить затраты на вскрышные работы; сократить и рационально распределить по этапам разработки капитальные затраты на освоение месторождения путем использования карьерного пространства и инвестирования строительства за счет капитализации прибыли, получаемой на первом этапе разработки; снизить себестоимость добычных работ за счет: оптимального сочетания

технологических процессов открытых и подземных работ при выемке запасов переходных зон, а также экономического обоснования

эффективной глубины производства горных работ на каждом этапе разработки; уменьшения стоимости управления состоянием

массива; сокращения накладных и вспомогательных расходов открытого и подземного рудников ввиду их совмещения; обеспечить плавный переход с открытого на подземный способ без разрыва в добыче руды; сократить ареал экологического воздействия на окружающую среду.

Анализ опыта комбинированной разработки месторождений, и в большей мере технологии отработки переходных зон, специфики геомеханических процессов с учетом комплексного освоения недр и системного подхода к

проектированию освоения

месторождений позволил

сформулировать следующие основные принципы формирования

технологических схем на всех этапах горных работ: рационализация

интенсивности отработки

месторождения; оптимизация

полноты извлечения запасов; минимизация всех видов затрат, связанных с созданием и функционированием открытого и подземного рудников; обеспечение качественных характеристик

добываемого сырья, предопределяющих наиболее эффективное и комплексное его использование; минимизация экологического ущерба, наносимого окружающей среде.

Рис. 1 Модели освоения месторождений

комбинированным способом: а)

последовательная открыто-подземная; б) последовательная подземно-откры-тая; в) совместная; г) совместная с восходящим порядком отработки этажей; д)

последовательно-параллельная открытоподземная; е) последовательная с открыто-подземным ярусом (ОПЯ); ж) совместная с ОПЯ; з) последовательнопараллельная с ОПЯ

Реализация требований

комплексного освоения

месторождений возможна на основе системного подхода к

проектированию, при котором каждая из проектных задач рассматривается как элемент единой технологической схемы освоения месторождения. При этом эффективность частных

проектных решений должна

оцениваться с позиций обеспечения максимальной эффективности всей технологической схемы. Таким образом, в отличие от традиционной методологии, предусматривающей последовательное и в значительной степени обособленное решение

основных проектных задач, при комплексном освоении

месторождения методы

проектирования должны

предусматривать системное

обоснование технологической схемы отработки на каждом этапе на основе исследования взаимосвязи проектных задач и их совместного участия в формировании уровня

количественных, качественных и экономических показателей.

Целям и признакам комплексного освоения комбинированным способом месторождений, как сложной геосистемы, в наибольшей мере соответствуют следующие

особенности: многопараметрический

характер системы, обусловленный необходимостью совместного учета нескольких разнородных и противоречивых требований;

многокритериальность системы, состоящая в необходимости учета нескольких количественных,

качественных, экономических и экологических показателей;

комплексный многокомпонентный характер объекта освоения,

обусловливающий необходимость в отдельных случаях удорожания

проектных решений по освоению

отдельных этапов в интересах последующих этапов; наличие

обладающих относительной

самостоятельностью подсистем,

включающих группы

взаимосвязанных проектных задач, высокая динамичность геосистемы, не позволяющая использовать для оценки проектных решений статические методы; необходимость учета затрат и эффектов не только текущего момента, но и отдаленного будущего с приведением

разновременных затрат и доходов; вероятностный характер системы, связанный с неполной

достоверностью исходных данных и возможных результатов реализации проектных решений. Таким образом методология комбинированной

разработки месторождений должна предусматривать совместную

оптимизацию проектных задач на различных этапах освоения

месторождения по выбору наиболее эффективной схемы вскрытия, подготовки, очистной выемки и порядка отработки запасов. В связи с этим предусматривается создание комплексной методики решения этих задач.

Требования к проектным

решениям по освоению

месторождения подземным и открытым способами разработаны достаточно полно. Технологическая схема выемки запасов переходных зон наряду с общими требованиями комплексности и высокой полноты освоения запасов, достижения

проектной производительности,

минимальных экономических затрат и обеспечения максимального эффекта должна обеспечить: решение вопросов комплексного проектирования

открытых, комбинированных и подземных геотехнологий; выбор наиболее рациональной и

эффективной технологии из всех возможных сочетаний

технологических процессов

различных способов разработки, применимых при выемке запасов переходных зон; повышение

эффективности освоения всего месторождения, как сложной динамической геосистемы, за счет оптимизации границы перехода на комбинированную геотехнологию; соответствие конструкции систем разработки, параметров технологии и порядка отработки запасов геоморфологическим особенностям запасов и специфике геомеханических

процессов переходных зон; управляемое состояние

сформированной в процессе открытых и подземных работ сложной динамической

геоконструкции путем обоснования параметров элементов систем разработки переходных зон, находящихся в сложнонапряженном состоянии, обусловленном взаимным влиянием карьерной выемки

подземных выработок; надежную

изоляцию подземного очистного

пространства от аэродинамических связей с атмосферой карьера; повышение интенсивности отработки запасов переходных зон и сокращение срока строительства и ввода подземного рудника в эксплуатацию в результате использования карьерного пространства, элементов технологии открытых работ, существующих карьерных коммуникаций и

сооружений; согласование и

взаимоувязку графиков

строительства, подготовки и

производства очистных работ в карьере и подземном руднике.

Опережающее создание

подземным способом искусственного целика на границе переходной зоны в последовательно-параллельной схеме параллельно с развитием открытых работ на верхних горизонтах карьера обеспечивает ликвидацию разрыва в добыче руды в переходный период с открытых на подземные работы и создание относительной

независимости развития фронтов горных работ в карьере и на шахте, более благоприятные аэро- и гидродинамические условия,

повышение интенсивности отработки месторождения.

Выполнение вышеприведенного комплекса специфических требований приводит к тому, что технологические схемы отработки переходной зоны могут и должны существенно отличаться от технологической схемы работы рудника в целом. Значительный объем запасов переходных зон и возможность выемки их более эффективными комбинированными геотехнологиями предполагает создание отдельных специальных проектов,

дифференцированных по отдельным участкам законтурных залежей в связи с геологическими и морфологическими особенностями их залегания, увязанных с технологиями

отработки запасов на других участках шахтного и карьерного поля в части порядка отработки, способа проветривания, конструкции

горизонтов.

Отдельные требования к отработке запасов переходных зон являются взаимно влияющими, противоречащими и даже в ряде случаев взаимно исключающими -полнота выемки запасов в сложных условиях и минимизация затрат, обеспечение надежной изоляции подземного рудника и максимальное использование карьерного

пространства для выемки запасов переходных зон, взаимозависимость объемов и динамики отработки запасов, предусмотренных для добычи открытой, подземной и комбинированной геотехнологией, и максимальная эффективность

освоения месторождения. Поэтому удовлетворение таких требований может быть частичным,

формироваться на компромиссной основе, либо часть позиций может игнорироваться с целью наиболее полного выполнения других, более важных для данного месторождения в существующих условиях, диктуемых организационно-экономической ситуацией и требованиями рынка.

Следует указать еще на одну особенность проектирования работ в переходной зоне. Она состоит в необходимости комплексного подхода при проектной проработке таких проблем как управление состоянием подрабатываемых бортов карьера, изоляция подземных выработок, организация совмещения открытых и подземных работ. Предотвращение неуправляемого проникновения

паводковых и ливневых вод в массовом порядке обеспечивается за счет возведения системы шлюзов, перемычек, искусственных барьерных целиков и временного оставления рудных, завалки основания карьера насыпными породами, применения нагнетательной и комбинированной схемы проветривания, местного подогрева шахтного воздуха.

Рис. 2. Принципиальная схема способов управления состоянием массива при отработке запасов переходных зон месторождений

Одним из основных осложняющих факторов в условиях глубоких карьеров является высокая

напряженность руд и пород в

прикарьерной зоне к моменту начала подземных работ, близкое к предельному по устойчивости состояние бортов карьера,

усугубление геомеханической

обстановки в процессе отработки запасов переходной зоны. В связи с этим при формировании

технологических схем освоения запасов переходных зон необходимо предусмотреть мероприятия,

компенсирующие потерю

устойчивости борта карьера, уже поставленного открытыми работами в предельное по устойчивости состояние. Такими мероприятиями могут быть: создание искусственных целиков, оставление породных и временных рудных целиков,

пригрузка основания бортов

насыпными породами, анкерное

укрепление массива тросами, а в ряде случаев местная дезинтеграция пород для разгрузки массива (рис. 2). Этому способствует определенный порядок отработки в этаже, блоке, ориентировка и форма очистных выработок и целиков, направление развития фронта работ в вертикальной и горизонтальной плоскостях. В каждом конкретном

случае возможность и

целесообразность использования того или иного способа управления состоянием подрабатываемых бортов карьера определяется на основе совместного решения

геомеханических задач и расчетов экономической эффективности.

При выборе механизации горных работ в переходных зонах необходимо ориентироваться на

прогрессивные технологические решения, современную и прогнозную горную технику, адаптированную к данным условиям при обеспечении экономической целесообразности ее использования в реальной финансовой ситуации функционирования

предприятия на рынке при сложившейся конъюнктуре цен на товарную

продукцию и элементы затрат.

Изучение опыта комбинированной разработки месторождений и

формирование технологических схем отработки запасов переходных зон позволило сформулировать основные положения проектирования

технологических решений для переходных зон:

• ввиду специфических

особенностей технологических схем освоения переходных зон

целесообразно составление для них специальных проектов разработки;

• в связи с наличием и близостью карьерной выемки технологические схемы отработки переходных зон следует проектировать с таким расчетом, чтобы нейтрализовать отрицательное воздействие карьерного пространства и обеспечить его эффективное использование;

• при формировании

технологических схем выемки запасов переходных зон следует ориентироваться на оптимальное сочетание элементов известных технологий различных способов разработки с максимально возможным использованием более

производительной техники открытых горных работ;

• параметры карьера при подходе к

предельному контру также должны предусматривать возможность

размещения технологического

оборудования для выемки запасов переходных зон;

• граница эффективного перехода с открытых работ на комбинированную

и подземную геотехнологию должна обеспечивать максимум внутренней нормы доходности при отработке запасов месторождения;

• конструкции горизонтов, системы

разработки запасов в переходной зоне должны увязываться с

морфологическими и геологическими особенностями законтурных залежей и параметрами карьера;

• управление состоянием сложной

динамичной геоконструкции,

формирующейся при выемке запасов

переходной зоны, обеспечивается комбинацией временных рудных, породных, искусственных целиков рациональной формы, пригрузкой борта насыпными породами, анкерного укрепления прибортового массива тросами, разгрузкой напряженных участков

принудительной дезинтеграцией пород, а параметры элементов управления состоянием

подрабатываемого массива

рассчитываются по условию совместного деформирования

сформированной геоконструкции;

• специфические условия

нагружения элементов систем

разработки переходных зон

обусловливают необходимость

адаптации геомеханических моделей и расчетных схем, применяемых для обоснования параметров элементов систем, к конкретным условиям

законтурных залежей;

• близость напряженного

состояния горной конструкции,

формирующейся на период

отработки запасов переходного

горизонта, к предельному

определяет необходимость

детального учета всех факторов,

влияющих на напряженно-

деформирован-ное состояние

массива;

• решение вопросов вентиляции

тесно связано с геомеханическими задачами по управлению состоянием массива и должно рассматриваться в комплексе;

• для нормализации режима

вентиляции наиболее эффективен

переход на нагнетательный способ проветривания в комплексе с подогревом воздуха, созданием

шлюзов в выработках и перемычек, завалкой карьера породами вскрыши;

• граница эффективного перехода месторождения должны отработки запасов месторождения с

на комбинированную геотехнологию оптимизироваться по условию учетом дисконтирования. и порядок отработки запасов максимизации дохода за период

Каплунов Давид Родионович — чл.-корр. РАН, профессор, доктор технических наук, Институт проблем комплексного освоения недр РАН.

Калмыков В.Н., Рыльникова М.В. — Магнитогорский государственный технический университет

.......................................................................

ПОЭЗИЯ

© Вера Якубовская, ст. преподаватель, , МГГУ

БРОНЯ

Считала я недавно, что меня Оковывает крепкая броня От вздохов, слёз и всякой чепухи -Считала я подругам вопреки.

Моя броня казалась мне стальной,

А оказалась хрупким хрусталём...

И вот она разбита в пух и прах... Осколки падают, на солнце засверкав. А я стою, и под ногами у меня Лишь звонкие осколки хрусталя.

И что же делать мне? Начну опять Осколки те руками собирать,

И снова стану я израненной рукой Выстраивать разбитый замок свой.

Ну а потом - представлю, что его Разбить совсем уж будет нелегко. Воображу себе, что это не хрусталь,

А закалённая, спасительная сталь.