CC BY
39
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
DOI: 10.25702/KSC.2307-5228.2019.11.2.5-12 УДК 622.272.6/622.831
НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНОЙ ОТРАБОТКИ АПАТИТ-НЕФЕЛИНОВЫХ РУД НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ В СЛОЖНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
С. В. Лукичев, А. А. Козырев, И. Э. Семенова, О. В. Белогородцев, И. М. Аветисян, Е. Е. Хомкин
ФГБУН Горный институт КНЦ РАН, Апатиты
Аннотация
На основе комплекса геологических, геомеханических и технологических моделей исследовано влияние масштабов открыто-подземной геотехнологии на геомеханическое состояние крупной горнотехнической системы. Выявлены закономерности перераспределения напряжений в окрестности очистных пространств на больших глубинах в условиях высокого тектонического сжатия, гористого рельефа и взаимного влияния открытых и подземных горных работ, позволившие сформулировать принципы безопасной отработки месторождений в сложных геомеханических условиях. На примере отработки перспективных подземных запасов Кукисвумчоррского и Юкспорского месторождений Кировского рудника АО «Апатит» выполнена оценка влияния геологических, горнотехнических и геомеханических факторов на безопасность и производительность рудника при различных сценариях развития горных работ. Представлены научно обоснованные технические решения, позволяющие вести отработку запасов в условиях углубления горных работ на удароопасных апатит-нефелиновых месторождениях. Ключевые слова:
удароопасные месторождения, подземный рудник, карьер, система разработки, геодинамические риски, блок-целик, цифровое 3D-моделирование, напряженно-деформированное состояние.
SCIENTIFIC SUBSTANTIATION OF THE PROSPECTIVE APATITE-NEPHELINE ORE MINING AT THE GREAT DEPTHS UNDER COMPLICATED MINING AND GEOLOGICAL CONDITIONS
Sergey V. Lukichev, Anatoly A. Kozyrev, Inna E. Semenova, Oleg V. Belogorodtsev, Ivan M. Avetisian, Igor E. Khomkin
Mining Institute of KSC RAS, Apatity
Abstract
Based on the complex of geological, geomechanical and technological models, the influence of the scale of an open-underground geotechnology on the geomechanical state of a large mining-engineering system, has been investigated. The regularities of the stress redistribution in vicinity of stopes at great depths under conditions of high tectonic compression, mountainous relief and the mutual influence of open and underground mining operations have been identified that made it possible to formulate the principles of safe mining in complicated geomechanical conditions. Using the example of underground mining of the Kukisvumchorr and Yukspor prospective reserves, owned the Kirovsky mine (Apatit, JSC) the influence of geological, mining-engineering and geomechanical factors on the safety and productivity of the mine was evaluated under various mining development scenarios. The scientifically based technical solutions, that allow to develop the reserves under the conditions of deepening mining at the rockburst hazardous apatite-nepheline deposits, are presented.
Keywords:
rockburst-hazardous deposits, underground mine, open pit, mining method, geodynamic risks, block-pillar, digital 3D modeling, stress-strain state.
Введение
Перспективным планом развития рудной базы Кировского филиала (КФ) АО «Апатит» предусматривается увеличение объемов добычи апатит-нефелиновых руд подземным способом, которое стало возможным при внедрении на предприятии современных технологий и высокопроизводительного горного оборудования. Интенсификация горных работ позволяет снизить издержки производства. Однако для обеспечения стабильной и безопасной работы горного предприятия необходима предварительная оценка условий, в которых будет производиться отработка запасов месторождений, что позволит разработать эффективную технологию ведения горных работ.
Из всех рудников КФ АО «Апатит» Кировский рудник является самым старым подразделением, основан 7 октября 1939 г., в этом году ему исполнится 90 лет. В настоящее время он основной поставщик апатит-нефелиновой руды, здесь добыто более 800 млн т руды.
Объект, цель и задачи исследований
В настоящее время при отработке запасов месторождений апатит-нефелиновых руд Хибинского массива рудниками КФ АО «Апатит» происходит изменение соотношения объемов открытой и подземной добычи (с увеличением последней). Это связано с тем, что для поддержания сырьевой базы необходимо вовлечение в отработку запасов на глубине до 1000 м от дневной поверхности. Очистные работы на руднике ведутся на горизонтах +250, +170, +90 м Кукисвумчоррского месторождения и +320, +250, +170 м Юкспорского месторождения с применением системы разработки подэтажного обрушения, скважинной отбойкой руды, ее торцевым выпуском и доставкой самоходным горнотранспортным оборудованием [1]. Запланированная предприятием интенсификация подземных горных работ и увеличение производственной мощности по добыче руды до 25 млн т в год диктуют необходимость вовлечения в отработку запасов руды, которые находятся на участках с более сложными условиями разработки. В существенной мере это связано с действием на массив горных пород высоких тектонических напряжений и ростом их абсолютных величин с глубиной, что предопределяет повышение риска горных ударов. Данные факторы требуют комплексного подхода при решении задач по обеспечению безопасности и эффективности горных работ [2].
Реализация планов развития горных работ Кировского рудника при вовлечении в отработку балансовых запасов объединенного гор. +10 м Кукисвумчоррского и Юкспорского месторождений, в том числе запасов блоков-целиков гор. +170 м в районе Саамского карьера, стала возможна после анализа условий отработки запасов глубоких горизонтов [3].
Первоочередные задачи:
• создание цифровой модели фактического и планируемых вариантов состояния очистной выемки будущих периодов в пределах каждого подземного горизонта (рис. 1);
• оценка влияния разных факторов на технологию отработки запасов руды в условиях глубоких горизонтов Кировского рудника.
Основные сдерживающие производственную мощность подземного рудника факторы:
• формирование блока-целика (БЦ) гор. +170 м при приближении фронта очистных работ со стороны Кукисвумчоррского и Юкспорского месторождений к Саамскому карьеру и между фронтами подземных горных работ на нижележащих горизонтах (рис. 1) [4];
• необходимость отработки прибортовых и подкарьерных запасов на гор. +170, +90 и +10 м;
• наличие выработанного пространства Саамского карьера в пределах БЦ без возможного доступа в него из-за ликвидации транспортных коммуникаций;
• наличие мощной геодинамически активной структуры (Саамского разлома) в пределах БЦ;
• увеличение с глубиной абсолютных величин действующих тектонических напряжений и, как следствие, повышение уровня удароопасности при отработке перспективных запасов;
• наличие охранных целиков под промплощадкой Кировского рудника и подъездными железнодорожными путями;
• полное отсутствие или недостаточная мощность обрушенных покрывающих горных пород, необходимых для заполнения выработанного пространства при производстве подземных горных работ;
• наличие большого поверхностного водопритока со склонов близлежащих гор и реки Саамской в чашу Саамского карьера;
• снижение с глубиной отработки мощности рудной залежи месторождений;
• ограниченная пропускная способность рудовыдачных трактов;
• фактическое опережение очистной выемки по глубине при отработке запасов Кукисвумчоррского месторождения относительно запасов Юкспорского месторождения.
Рис. 1. Перспективное планирование развития очистной выемки при ведении подземных горных работ и производственной мощности по добыче руды на Кировском руднике в пределах геологических профилей
Кукисвумчоррского и Юкспорского месторождений
Fig. 1. Long-term planning of the stoping advance during the underground mining and production capacity for the ore extraction at the Kirovsky mine within the geological profiles of the Kukisvumchorr and Yukspor deposits
Горный институт КНЦ РАН совместно с АО «Апатит» разработали научно-технические решения и мероприятия, обеспечивающие достижение максимальной производственной мощности Кировского рудника по добыче руды и безопасному ведению горных работ в сложных геомеханических и геодинамических условиях.
Применяемые методы и программные средства
Для научного обоснования выемки запасов и комплексного решения инженерных задач использовались методы, широко применяющиеся при проведении научно-исследовательских работ при проектировании рудников: аналогии, вариантов и графоаналитический, а также численные методы для геомеханических прогнозов. Решение задач в сжатые сроки и на более качественном уровне невозможно без использования современных программных средств, позволяющих получать полноценные цифровые модели подземной и открытой геотехнологии. В ГоИ КНЦ РАН разработаны оригинальные программные продукты с возможностью их адаптации под конкретные задачи и условия:
• горно-геологическая информационная система MINEFRAME [5];
• программный комплекс Sigma GT, реализующий метод конечных элементов в объемной постановке и позволяющий проводить моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород с учетом основных геологических и горнотехнических факторов [6].
В данных программных продуктах осуществлялось построение геологических и разных вариантов технологических SD-моделей и элементов геотехнологии, моделирование развития фронта очистной выемки и оценка геомеханической ситуации для различных вариантов отработки запасов в пределах горизонтов Кукисвумчоррского и Юкспорского месторождений.
Определение производственной мощности рудника
Задача определения максимальной годовой производственной мощности по добыче руды Кировского рудника решалась двумя методами:
• по средней интенсивности разработки шахтного поля, измеряемой годовым понижением очистной выемки;
• по фронту очистной выемки (числу и производительности очистных забоев в одновременной работе).
Метод по возможному фронту очистной выемки является более точным, но он и более трудоемкий, особенно если для отработки запасов одновременно рассматривается несколько сценариев развития очистной выемки на горизонтах (подэтажах) рудника.
Первоначально определялась производительность по элементарной выемочной единице — буродоставочному штреку, далее отдельно по каждому геологическому разрезу и в пределах очистных блоков, затем в пределах подэтажей, горизонтов и суммарная по всему руднику. В результате проведенных исследований создан алгоритм, который позволяет в автоматизированном режиме в среде ГГИС MINEFRAME на основании блочной модели создать перспективный план развития подземных горных работ. Ячейки блочной модели содержат информацию о возможно достижимой годовой производительности по добыче руды в пределах каждого геологического профиля, очистного блока и горизонта (подэтажа) при системе разработки с подэтажным обрушением и торцевым выпуском руды со штрековой подготовкой шахтного поля. При этом учитывается время на формирование разрезок на подэтажах, а также выхода нового горизонта и в целом рудника на проектную производственную мощность.
Для планирования развития очистных работ мощных рудных месторождений на основании проведенных исследований ГоИ КНЦ РАН получены зависимости производственной мощности подземного рудника и скорости подвигания очистной выемки от горизонтальной мощности рудной залежи, что важно для формирования перспективного планирования подземных горных работ на рудниках с большой горизонтальной мощностью залежей (рис. 2).
i
s _
-
Рис. 2. Зависимость скорости подвигания очистной выемки от горизонтальной мощности рудной залежи при системе разработки с подэтажным обрушением и торцевым выпуском руды со штрековой подготовкой шахтного поля
Fig. 2. Dependence of stoping advance rate on horizontal thickness of the ore deposit using the sublevel caving mining method
Средняя горизонтальная мощность рудной залежн, м
Геомеханическое обоснование горных работ в удароопасных условиях
В ходе выполнения прогнозных исследований НДС массива горных пород были рассмотрены четыре возможных варианта отработки запасов гор. +10 м:
1) с разрезкой по Саамскому разлому и ведением горных работ двумя фронтами от разлома в сторону Кукисвумчорра и в сторону Юкспора;
2) с разрезкой на Кукисвумчорре и ведением горных работ в сторону Юкспора;
3) с двумя разрезками на Кукисвумчорре и Юкспоре и ведением горных работ навстречу друг другу;
4) с разрезкой на Юкспоре и ведением горных работ в сторону Кукисвумчорра. Результаты численного моделирования НДС массива показали, что для любого варианта
развития горных работ наблюдается:
• высокий уровень сжимающих напряжений под создаваемыми очистными пространствами;
• разнородное поле напряжений по направлению с превалирующим действием Omax по простиранию и диагонально рудному телу на удалении от горных работ;
• контрастное поле напряжений в зоне Саамского разлома под карьерной выемкой с перемежающимися зонами растяжения и сжатия;
• ориентировка действующих тектонических напряжений в зонах стыковки горных работ в направлении, близком вкрест простирания рудного тела;
• замедление процессов обрушения подработанной толщи пород до дневной поверхности, что требует пересмотра действующих инструктивных документов [7].
По результатам численного моделирования установлено, что наиболее безопасной по геомеханическим условиям является схема с единой разрезкой на гор. +10 м в пределах Саамского разлома и развитием горных работ к флангам рудной залежи (рис. 3). При реализации данной схемы сводится к минимуму возможность активизации мощного регионального разлома. В то же время данный вариант не обеспечивает планируемого объема добычи руды Кировского рудника (25 млн т руды в год) после 2028 г.
Рис. 3. Распределение Gmax на отм. +58 м при разрезке на гор. +10 м по Саамскому разлому Fig. 3. Distribution of Gmax at mark +58 m when cutting at the level of + 10 m along the Saamsky fault
Обеспечение необходимой производительности в долгосрочной перспективе возможно только при реализации схемы развития очистных работ с двумя разрезками — на Юкспорском (разрез 3) и на Кукисвумчоррском (разрез 14) месторождениях (рис. 4).
Рис. 4. Распределение Gmax на гор. +10 м для варианта с двумя разрезками на Кукисвумчоррском и Юкспорском месторождениях
Fig. 4. Distribution of Gmax at the level of +10 m for the variant with two cuts at the Kukisvumchorr and Yukspor deposits
Развитие работ по данной схеме приводит к формированию блоков-целиков и необходимости их отработки в удароопасных условиях. Поэтому при выборе данного варианта необходимо предусмотреть значительный объем профилактических мероприятий и применение усиленных видов крепления, а также оценить затраты на данные мероприятия. В качестве наиболее безопасного порядка c сохранением необходимой производительности предложено и обосновано опережающее развитие горных работ со стороны Юкспорской залежи и стыковка подземных горных работ на Кукисвумчоррском месторождении на удалении не менее 150 м от Саамского разлома [8].
При анализе результатов численного моделирования НДС массива разработаны региональные мероприятия, обеспечивающие минимизацию уровня геодинамических рисков и удароопасности для выбранного порядка горных работ, заключающиеся в определении:
• наиболее безопасного расположения блоков-целиков между подземными горными работами и их размеров;
• величин опережений фронта очистных работ в висячем боку рудной залежи (на 20-40 м) по отношению в лежачему и опережений отработки вышележащих подэтажей по отношению к нижележащим (на высоту подэтажа);
• величин защитных углов фронта очистных работ (45-60°) на разных участках отрабатываемых месторождений.
Кроме этого выполнено прогнозное определение категорий состояния выработок на разных этапах отработки запасов, что необходимо при планировании необходимых видов и объемов крепления, а также локальных разгрузочных мероприятий (рис. 5).
Рис. 5. Расчетные категории выработок под Саамским карьером на гор. +158 м Fig. 5. Calculated categories of workings under the Saamsky open pit at the level of+158 m
Заключение
В результате комплекса исследований разработаны научно-технические решения, позволяющие вести горные работы по отработке запасов Кукисвумчоррского и Юкспорского месторождений Кировского рудника с увеличением производственной мощности до планируемых показателей в условиях уменьшения мощности рудных тел и необходимости отработки части запасов в стыковочных зонах между открытыми и подземными горными работами, а также вблизи мощной геодинамически активной структуры Саамского разлома.
Определены оптимальное местоположение разрезок и стыковочных зон, порядок прохождения Саамского разлома, параметры системы разработки подэтажного обрушения с торцевым выпуском руды и разделкой опережающей разгрузочной зоны в висячем боку рудной залежи. Установлена величина оптимального угла фронта очистных работ по отношению к его направлению, обеспечивающая защитный эффект в зоне активного ведения горных работ.
Разработан алгоритм для создания автоматизированного расчета производственной мощности рудника, горизонта, очистного блока и перспективного планирования объемов добычи руды на мощных рудных месторождениях.
Предложенные решения используются при разработке проекта на отработку запасов нижних горизонтов Кировского рудника. Сформулированные принципы безопасной отработки месторождений при интенсификации выемки запасов актуальны и для других месторождений, отрабатываемых на больших глубинах в скальных тектонически напряженных массивах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Белоусов В. В., Абрашитов А. Ю., Сахаров А. Н. Состояние и перспективы развития подземной разработки глубокозалегающих месторождений апатит-нефелиновых руд Хибинского массива // Горн. журн. 2014. № 10. С. 2833. 2. На Кировском руднике КФ АО «Апатит» отгружена 800-миллионная тонна апатит-нефелиновой руды // Евразийский химический рынок. URL: http://chemmarket.info/ru/news/view/36725 (дата обращения: 18.04.2019).
3. Глубокий С. С. Корректировка стратегии геологического изучения запасов апатит-нефелиновых руд Хибинского массива в связи с интенсивным освоением глубоких горизонтов месторождений // Горн. журн. 2014. № 10. С. 25-28.
4. Methodological approaches and realization of joining zones mining in the rockburst hazardous conditions / A. A. Kozyrev [et al.] // International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM. 2016. Book 1, Vol. 2. P. 565-572. 5. Lukichev S., Nagovitsyn О., Belogorodtsev O. A systemic approach to solving the mining technology tasks based on modeling its objects and processes // Proc. of the 38th International Symposium on the Application of Computers and Operations Research in the Mineral Industry (APCOM 2017). 2017. P. 29-34. 6. Козырев А. А., Семенова И. Э., Шестов А. А. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния массива горных пород как основа прогноза удароопасности на разных этапах освоения месторождений // Компьютерные технологии при проектировании
и планировании горных работ: сб. тр. Всерос. науч. конф. с междунар. участием. Апатиты; СПб., 2009. С. 251-256. 7. Указания по управлению обрушением покрывающих пород, охране сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на рудниках открытого акционерного общества «Апатит» / А. А. Козырев [и др.]; КНЦ Горн. ин-т; ОАО «Апатит». Апатиты, 2002. 51 с. 8. Семенова И. Э., Аветисян И. М., Земцовский А. В. Геомеханическое обоснование отработки запасов глубокого горизонта в сложных горно-геологических и геодинамических условиях // Горн. информ.-аналит. бюл. 2018. № 12. С. 65-73.
Сведения об авторах
Лукичев Сергей Вячеславович — доктор технических наук, директор Горного института КНЦ РАН E-mail: lu24@goi.kolasc.net.ru
Козырев Анатолий Александрович — доктор технических наук, зав. отделом геомеханики Горного
института КНЦ РАН
E-mail: kozar@goi.kolasc.net.ru
Семенова Инна Эриковна — кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник Горного
института КНЦ РАН
E-mail: innas@goi.kolasc.net.ru
Белогородцев Олег Владимирович — научный сотрудник Горного института КНЦ РАН E-mail: o_belogorodzev@mail.ru
Аветисян Иван Михайлович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник Горного
института КНЦ РАН
E-mail: vanavetisyan@yandex.ru
Хомкин Егор Евгеньевич — младший научный сотрудник Горного института КНЦ РАН E-mail: sonne.z@mail.ru
Author Affiliation
Sergey V. Lukichev — Doctor of Sciences (Engineering), Director of the Mining Institute of KSC RAS E-mail: lu24@goi.kolasc.net.ru
Anatoly A. Kozyrev — Doctor of Sciences (Engineering), Chief of the Department of Geomechanics of the Mining
Institute of KSC RAS
E-mail: kozar@goi.kolasc.net.ru
Inna E. Semenova — PhD (Engineering), Leading Researcher of the Mining Institute of KSC RAS E-mail: innas@goi.kolasc.net.ru
Oleg V. Belogorodtsev — Researcher of the Mining Institute of KSC RAS E-mail: o_belogorodzev@mail.ru
Ivan M. Avetisian — PhD (Engineering), Senior Researcher of the Mining Institute of KSC RAS E-mail: vanavetisyan@yandex.ru
Igor E. Khomkin — Junior Researcher of the Mining Institute of KSC RAS E-mail: sonne.z@mail.ru
Библиографическое описание статьи
Научное обоснование перспективной отработки апатит-нефелиновых руд на больших глубинах в сложных горно-геологических условиях / С. В. Лукичев [и др.] // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2019. — № 2 (11). — С. 5-12.
Reference
Lukichev Sergey V., Kozyrev Anatoly A., Semenova Inna E., Belogorodtsev Oleg, V., Avetisian Ivan M., Khomkin Igor E. Scientific Substantiation of the Prospective Apatite-Nepheline Ore Mining at the Great Depths under Complicated Mining and Geological Conditions. Herald of the Kola Science Centre of RAS, 2019, vol. 2 (11), pp. 5-12. (In Russ.).
