CC BY
101
© Д.Р. Каплунов, М.В. Рыльникова, Е.А. Блюм, А.В. Красавин, 2003
УДК 553.277
Д.Р. Каплунов, М.В. Рыльникова, Е.А. Блюм,
А.В. Красавин
НАУЧНЫЕ АСПЕКТЫ ВЫБОРА ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СТРАТЕГИИ ОСВОЕНИЯ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КОМБИНИРОВАННЫМ СПОСОБОМ*
Решение фундаментальной проблемы теории проектирования освоения недр - обоснование геотехнологиче-ской стратегии комплексного извлечения запасов полезных ископаемых, в части оценки во времени и пространстве технологических этапов комбинированной разработки месторождений, представляет собой новое важное направление развития горных наук.
Актуальность этих исследований обусловлена тем, что большинство карьеров, разрабатывающих мощные рудные месторождения, достигли предельных контуров. В бортах и основаниях карьеров остаются значительные (до 50%) запасы кондиционных и бедных руд, эффективные геотехнологии освоения которых в мировой и отечественной практике отсутствуют, кроме того, осложняется экологическая обстановка в регионах эксплуатации этих карьеров.
Комбинированные геотехнологии позволяют обеспечить: компенсацию выбывающих мощностей карьеров в сложных условиях перехода от открытого к подземному способу разработки; сохранение уровня эффективности добычи и конкурентоспособности минерального сырья на мировом рынке за счет снижения затрат на добычу руды в переходных зонах, сокращения сроков строительства подземных рудников, повышения полноты и комплексности освоения георесурсов, снижения уровня экологической нагрузки.
Отсутствие практики отработки месторождений в условиях совмещения в едином технологическом пространстве открытых и подземных работ при формировании горнотехнических систем с оптимальными параметрами, сложность решения геоме-ханических проблем по отработке запасов за контуром глубоких карьеров, поставленных в предельное положение, необходимость обеспечения высокого качества добываемого сырья определило широкий комплекс решаемых сложных научнометодологических задач.
Теоретические основы стратегии комплексного освоения месторождений должны базироваться на установлении закономерностей формирования единого технологического пространства и взаимодействия природных и техногенных факторов при распределении запасов месторождения между открытым, открыто-подземным и подземными способами разработки, а также процессов образования и использования выработанных пространств в их временной и пространственной взаимосвязи в соответствии с требованиями рационального освоения георесурсов.
Согласно новым подходам к проектированию освоения месторождений [1] приобретает новые отличительные черты и
моделирование, имитирующее состояния подобных сложных горнотехнических систем, включая все компоненты обеспечения компьютерных поисковых имитационных моделей. В процессе моделирования комплексного освоения генетически и пространственно взаимосвязанных геосистем впервые выполнено формирование альтернативных вариантов перспективного развития горных объектов в единой системе комбинирования открытых, открытоподземных и подземных геотехнологий. Факторы, влияющие на определение границ применения открыто-подземных геотехнологий в имитационной модели, можно разделить на условно-постоянные - это геологическое строение и морфология месторождения, содержание полезных компонентов и их пространственное расположение в массиве и переменные - конъюнктура рынка минерального сырья, технологические показатели, нормы экологических затрат, показатели извлечения из недр и затраты на добычу по способам разработки.
Расчеты коэффициентов влияния различных факторов на эффективность освоения месторождения проведены с использованием алгоритма нелинейной оптимизации Generalized Reduced Gradient (GRG2), разработанного Леоном Ласдоном и Аланом Уоренсом.
Анализ данных по расходам на разработку более 100 месторождений черных и цветных металлов комбинированным способом позволил установить обощающие зависимости формирования затрат на освоение запасов различными геотехнологиями от горно-геологических условий залегания рудных тел различного морфологического типа, распределения содержания полезных компонентов в массиве, последовательности и интенсивности извлечения горной массы (рис. 1). Полученные зависимости удельных затрат (руб./т) на открытые геотехнологии (1), открыто-подземные (2) и подземные (3) были использованы для формирования исследовательской модели извлечения запасов мощных рудных месторождений комбинированным способом.
Ск = 37.5 • 1.002Нк • 0.95а* • 1.004f, R2 = 0.98 (1)
Соп = 112.9 • 1.002Ноп • 0.99Аоп• 1.001f, R2 = 0.99 (2)
Сш = 194.5 • 1.0004Нш • 0.97а™ • 1.0039f, R2 = 0.98 (3)
где Нк, Нш - соответственно глубина открытых и подземных работ, м; Ноп - высота открыто-подземной зоны, м; Ак, Аоп, Аш -годовая производительность карьера, переходной зоны и подземного рудника, млн т; f - коэффициент крепости руды и пород.
Изучение условий, влияющих на эффективность освоения месторождения, показал, что на положение границ применения открыто-подземных геотехнологий влияют в совокупности многочисленные факторы и оптимизация возможна на основе расчетов типовых альтернативных вариантов и этапов развития горных работ во времени и пространстве в единой технологической схеме освоения недр на отдельных участках и в границах месторождений в целом.
Влияние последовательности и интенсивности разработки месторождения на выбор геотехнологической
*Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 00-05-64028
Таблица 1
ПЕРЕМЕННЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПО ВАРИАНТАМ
Наименование показателей, размерность Усл. обозна чения Ин- декс Индекс Примечание
1 2 3 4 5 6 7
Мощность рудного тела, м т I 25 50 75 100 150
Длина по падению, м Lпад j 300 500 750 1000 1500
Длина по простиранию, м Lпр ї 500 750 1000 2500 5000
Мощность наносов, м Ннан Г 20 50 100 120 150
Крепость руды и пород f с 4 6 8 12 16
Сцепление руды и пород, МПа С d 0.5 0.8 1.5 2.5 5
Плотность руды, т/м3 р f 2.5 3 3.5 4
Содержание в руде, Fe, % Pf к 55 38 30 25 18 38-5% 25+ 5% В вар. 6,7 содержание изменяется через каждые 100 м глубины
Содержание в руде, Си, % Рк к 10 6 3 1 0.5 6-5% 1+ 5% В вар. 6,7 содержание изменяется через каждые 100 м глубины
Рис. 1. Зависимости удельных затрат на освоение месторождений открытой (а), открыто-подземной (б) и подземной (в) геотоехнологиями от объемов извлечения, глубины работ, высоты переходной зоны при коэффициенте крепости пород f=10
стратегии освоения недр определялось на основе численных экспериментов функционирования открытых, открытоподземных и подземных геотехнологий, выполненных на базе компьютерного имитационного моделирования. Построение и расчет исследовательской модели «Выбор предпочтительных вариантов геотехнологической стратегии освоения мощного монометаллического месторождения комбинированным способом» предусматривали на основе укрупненных геологических и горнотехнических показателей, различных сочетаний способов разработки во времени и пространстве и объемов извлечения, выявить варианты эксплуатации месторождения, характеризующиеся наибольшей экономической целесообразностью получения металлов. Эта задача была реализована методом перебора альтернативных вариантов.
При формировании вариантов постоянными значениями явились: угол падения рудного тела 75о; угол внутреннего трения пород и руды 37о; коэффициент извлечение полезного компонента при переработке - 0,87; средняя плотность вмещающих пород в массиве 2500 кг/м3; минимальное и максимальное годовое понижение открытых горных работ соответственно 4 и 20 м; минимальное и максимальное годовое понижение подземных горных работ соответственно 10 и 35 м. Переменные значения, диапазоны и шаги изменения рассматриваемых параметров приведены в табл.1, 2.
По мере развития открытых горных работ изменяется положение участков месторождения, проек тируемых для комбинированной разработки, что характеризуется опреде-
ленным набором факторов, влияющих как на выбор системы разработки, так и
Таблица 2
ПЕРЕМЕННЫЕ ЗНА ЧЕНИЯ ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПО ВАРИАНТАМ
Наименование показателей, размерность Усл. обо-знач Индекс 1 2 3 4 5
Мощность карьера, млн т/год Ак т 0.5 1 5 10 20
Мощность подземного рудника, млн т/год Аш1 т,п 0.5 1 5 10 20
Аш2 т,п 0.375 0.75 3.75 7.5
Ашз т,п 0.25 0.5 2.5 5 10
Аш4 т,п 0.125 0.25 1.25 2.5 5
Аоп1 т,п 0.5 1 5 10 20
Мощность рудника в переходной зоне, млн т/год Аоп2 т,п 0.375 0.75 3.75 7.5
Аопз т,п 0.25 0.5 2.5 5 10
Аоп4 т,п 0.125 0.25 1.25 2.5 5
Высота переходной зоны, м Ноп Р 50 80 100 150 170
Система открытой разработки Со q Внешний отвал Внутренний отвал
Система подземной разработки Сп1 q,t Открытое очистное пространство. Обрушение Закладка
Сп2 q,t Обрушение
Система открыто-подземной разработки А^оп С 1 яД Открытое очистное пространство Обрушение Закладка
А^оп С 2 q,t Обрушение
Потери руды при открытой разработке, % По q 3 3
Разубоживание руды при открытой разработке, % Ро q 3 3
Потери руды при подземной разработке, % Пп1 q,t 20 17 3
Пп2 Яд 17
Разубоживание руды при подземной разработке, % Пп1 q,t 5 17 5
Пп2 q,t 17
Потери руды при открытоподземной разработке, % Пп1 q,t 10 10 3
Пп2 q,t 10
Разубоживание руды при открыто- подземной разработке, % Пп1 q,t 5 20 3
Пп2 q,t 20
всей технологической схемы добычи. При отработке карьера рассматривались варианты с внутренним и внешним отвалооб-разованием; применительно к открыто-подземной зоне изменялась высота уступа, способы управления состоянием массива (анкерным креплением, закладкой выработанного пространства, пригрузкой бортов породами вскрыши); на подземных работах рассматривались варианты с обрушением руды и вмещающих пород, с открытым очистным пространством и с закладкой.
Изучалось влияние технологических и структурных изменений, связанных с пересмотром границ открытых, открытоподземных и подземных геотехнологий, схем вскрытия, подготовки и порядка отработки месторождения в целом и его отдельных участков на формирование альтернативных вариантов, для чего был разработан алгоритм определения параметров комбинированных геотехнологий, представленный на рис. 2. Значение экономического критерия с учетом экологических последствий является функцией двух основных переменных - высоты открыто-подзем-ного уступа (ОПЯ) и глубины его верхней границы. Интегральный эффект от освоения месторождений зависит как от каждого из этих параметров, так и от их сово-
купного воздействия во времени и пространстве. Для определения границ эффективного применения открыто-подземных технологий с учётом параметров залегания и морфологии рудного тела рассчитывались затраты на освоение месторождения открытым, подземным и открыто-подземным способами при разной глубине их применения. На рис. 3 представлена схема для расчёта вариантов.
Установлено, что последовательность ввода в эксплуатацию горных объектов, входящих в состав горнотехнических систем, определяет оптимальные сроки их функционирования. При этом увеличение высоты открыто-подземного уступа может происходить за счет запасов как открытых, так и подземных горных работ в рамках обоснования единой долгосрочной стратегии.
Сложность геомеханического состояния горного массива при наложении полей напряжений и деформаций открытых, подземных и открыто-подземных конструкций, обусловила проведение модельных исследований устойчивости элементов горных конструкций, как граничных условий применения комбинированных геотехнологий.
Рис. 3 Принципиальная схема освоения мощного рудного месторождения комбинированными геотехнологиями:Нк - текущая глубина карьера, м; Н- мощность наносов, м; Ну - высота уступа, м; Ноп - высота открыто-подземного уступа, м; глубина залегания, м; Нш - глубина подземного рудника
С учётом элементов залегания рудного тела задавались переменными значениями глубины карьера и определяли устойчивое состояние и углы откосов открытоподземных горных конструкций, а также предельную высоту переходной зоны по фактору устойчивости и по техническим возможностям горного оборудования. За пределами установленных параметров карьера и открыто-подземной зоны формировалась область применения подземных технологий. В границах применения каждой из технологий производился подсчёт запасов руды и металлов, извлекаемых открытым, открыто-подземным и подземным способами и объёмов вскрыши в карьере и открыто-подземной зоне. Выбор геотехнологической стратегии освоения месторождения основывался на рассмотрении 18 типовых технологических схем, отличающихся способом отвалообразования при открытой и открыто-подземной разработке (внутреннее и внешнее), способом управления состоянием массива на подземных и открыто-подземных работах (обрушением, естественным поддержанием подрабатываемого массива и закладкой выработанного пространства), учетом распределения содержания полезных компонентов (железа и меди в массиве), полноты и качества извлечения минерального сырья из недр и его первичной переработки.
Приоритет обеспечения необходимого качества добываемого сырья при формировании горнотехнических систем предусматривал выбор таких технологий разработки, при которых дифференцирование запасов месторождения по содержанию полезных компонентов в массиве и принятый порядок их поэтапного освоения во времени и в пространстве позволяет оптимизировать качественные характеристики рудопотоков, поступающих на переработку. По каждому варианту оценивались также экологические и экономические последствия принятых способов разработки. Существенное влияние на экономическую эффективность освоения месторождений оказывают экологические факторы (отвалообразование, размещение отходов и др.) - 26-28%, затраты на выемку и транспортирование вскрыши, соответственно, 23-25% и 16-18% и удельные за-
Рис. 2 Алгоритм системного анализа и выбора геотехнологической стратегии освоения месторождений комбинированными технологиями
траты на 1 т руды, извлекаемой подземным способом - 21-22%, в меньшей степени, в сравнении с вышеуказанными факторами, влияют показатели добычи руды открыто-подземной геотехнологией.
В качестве примера на рис. 4 показано изменение общих расходов на освоение монометаллического месторождения с заданными типовыми параметрами от глубины перехода на открыто-подземную геотехнологию. Приведенные графические зависимости свидетельствуют, что применение вариантов разработки с использованием выработанных пространств для внутреннего отвалообразования позволяет повысить эффективность освоения месторождения на 20-25%, а на параметры рацио-
Рис. 4 Зависимость общих затрат на освоение всего месторождения от глубины перехода на открыто-подземную геотехнологию (а) и фрагмент этой зависимости, характеризующий оптимальную область перехода (б) при 1, 2 - внутреннем и внешнем отвалообразовании и управлении состоянием массива: 1' - обрушением, 1" - закладкой, 2' - тросовым креплением в переходной зоне и обрушением на подземных работах, 2" - закладкой
нального формирования горно-технических систем .преимущественное влияние оказывает выбранный способ управления состоянием массива, который определяет выбор конкретного предпочтительного варианта геотехнологии. Так, в вариантах с внутренним отвалообразованием в выработанном пространстве карьера и системами разработки с обрушением на подземных работах глубина эффективного перехода на открыто-подземные технологии составила 300-350 м, в вариантах с внешним отвалообразованием и обрушением на подземных работах 200-250 м, а с закладкой - 250-300 м.
На основе реализации большого количества моделей месторождений установлены закономерности рационального перехода отдельных участков месторождения из одного состояния в другое в едином технологическом пространстве, которые позволяют выбирать предпочтительный вариант геотехнологиче-ской стратегии, обеспечивающий повышение эффективности освоения недр
В соответствии с выбранной стратегией освоения запасов месторождения определялись объемы извлечения минерального сырья при различных способах разработки и схемы поэтапного освоения месторождения. По каждому варианту, имеющему свою область рационального перехода на открыто-подземную технологию, рассчитывались совокупные экономические показатели, характеризующие эффективность освоения георесурсов. Изменяющаяся технологическая и экономическая ситуация функционирования горно-технических объектов на достаточно продолжительных промежутках времени (срок освоения месторождения), а также неопределенность используемой при принятии и оценке проектных решений горно-геологической исходной информации обусловили необходимость системного анализа финансового риска и факторов безопасности и экологичности комбинированных геотехнологий. Количественной мерой риска явились интегральные вероятности благоприятной и неблагоприятной реализации технологических решений в части достижения заданных параметров горнотехнических систем и связанные с этим соответствующие оценки экономической выгоды и возможного ущерба.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Каплунов Д.Р. О принципах проектиро- недр// Актуальные проблемы освоения ме- го сырья. - М.: ИПКОН РАН, 1993.
вания комбинированной разработки место- сторождений и использования минерально- С. 133 - 145.
рождений при комплексном освоении
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------------------------------------------------------------------------
Каплунов Давид Радионович - доктор технических наук, профессор, чл.-корр. РАН, Институт проблем комплексного освоения недр РАН (ИПКОН РАН).
Рыльникова Марина Владимировна — доктор технических наук, профессор, ИПКОН РАН.
Блюм Елена Александровна - кандидат технических наук, ИПКОН РАН.
Красавин Алексей Викторович — аспирант, Московский государственный горный университет.
