CC BY
2
ГЕОТЕХНОЛОГИЯ
УДК 622.272:622.274
ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СОВМЕСТНОЙ РАЗРАБОТКИ БОГАТЫХ И ВКРАПЛЕННЫХ РУД НА СВЕРХГЛУБОКИХ ГОРИЗОНТАХ РУДНИКОВ НОРИЛЬСКОГО РАЙОНА
И.И. Айнбиндер, О.В. Овчаренко, П.Г. Пацкевич
Для освоения рудных месторождений Крайнего Севера на глубинах 1700 -2000 м предложена перспективная инновационная технология совместной разработки разносортных руд: сплошная система разработки с закладкой выработанного пространства с клинообразным фронтом выемки руды камерами, отбойкой руды по методу VCR. Технология предусматривает проведение в подземных условиях предварительной концентрации вкрапленных руд, отделение пустой породы, применяемой затем в качестве закладочного материала. Созданная замкнутая горнотехническая система разработки обеспечивает эффективность и безопасность горного производства при комплексном освоении недр, продление срока службы рудников при сохранении их рентабельности, снижение экологической нагрузки на территорию района.
Ключевые слова: системы разработки с закладкой выработанного пространства, рудные месторождения, предварительная концентрация рудной массы, рудничная сепарация, математическое моделирование напряженно-деформированного состояния горного массива.
Запасы уникальных Талнахского и Октябрьского месторождений составляют основу сырьевой базы России по целому ряду стратегических видов минерального сырья: никелю, меди, кобальту, металлам платиновой группы. В настоящее время добыча руды осуществляется на глубинах от 200 до 1600 м.
Согласно классификации, разработанной в ИПКОН РАН, сверхглубокими считаются месторождения, расположенные на глубинах более 1700 м от поверхности Земли, при этом классификационным признаком, связанным с глубиной, является напряженное состояние горного массива.
На таких глубинах уровень действующих вертикальных напряжений исходного поля достигает 40,0...50,0 МПа, т.е. величин, при которых
на меньших глубинах отмечаются первые признаки динамических проявлений горного давления.
Так, на месторождениях Норильского региона, первые случаи динамического проявления горного давления в виде шелушения и стреляния горных пород были отмечены при отработке богатых сплошных сульфидных руд на глубинах 700...800 м при уровне напряжений вокруг выработок 50,0...60,0 МПа, а горные удары отмечались при напряжениях в массиве 80,0.100,0 МПа.
В этих условиях основной технологией ведения горных работ на глубоких рудниках ЗФ ПАО «ГМК «Норильский Никель» долгое время являлась сплошная слоевая выемка руды с закладкой, с применением восходящего, нисходящего и комбинированного порядков отработки слоев с опережающей надработкой массива по кровле рудного тела [1,2].
На рис.1 представлены технологические схемы ведения горных работ, применяемые на рудниках.
б х 3
рудный массив отбитая порода закладочный массив
армированный несущий слой искусственной кровли
Рис. 1. Варианты сплошной слоевой системы разработки с закладкой,
применяемые при выемке сплошных сульфидных руд на рудниках ЗФ ПАО «ГМК «Норильский Никель»: а - восходящий порядок выемки
слоев; б - комбинированный порядок выемки слоев с опережающей надработкой массива по кровле рудного тела; в - нисходящий порядок
выемки слоев с созданием защитного слоя в кровле очистной выработки; 1 - очистные забои; 2 - опережающая надработка массива по кровле; 3 - передовая выработка защитного слоя
Наилучшие технико-экономические показатели разработки залежей богатых руд были достигнуты на руднике «Таймырский» при применении слоевой системы разработки с клинообразным фронтом очистных работ по восстанию в восходящем порядке отработки, где за счет расположения очистных слоев вкрест простирания основной системы нарушенности рудного массива, обеспечивалась устойчивость забоев, а вовлечение в отработку одновременно нескольких добычных лент позволило достигнуть
показателей производительности фланга панели, в 1,5 - 2,0 раза превышающих показатели при использовании традиционной технологии (рис. 2) [2].
Технологические схемы развития очистных работ в выемочных панелях
Рис. 2. Принципиальная схема сплошной клинообразной выемки руды
слоями в восходящем порядке по восстанию залежи с закладкой на руднике «Таймырский»: 1 - очистная выработка; 2 - разрезной орт;
3 - слоевой штрек; 4 - вентиляционный штрек; 5 - очистная лента
Как видно из рис. 2, разработка предусматривает последовательный ввод в эксплуатацию очистных лент, начиная от первой - разрезной, расположенной в центре выемочной панели, с выемкой слоями в восходящем порядке по восстанию залежи. При этом линия фронта очистных работ приобретает в плане форму клина с развитием очистных работ по восстанию и простиранию залежи.
При значительных преимуществах применения слоевых систем разработки, в первую очередь, это обеспечение полноты выемки запасов полезных ископаемых (потери составляли менее 1 %), основным недостатком данных технологий является постоянное присутствие горнорабочих в зоне ведения очистных работ, что существенно влияет на безопасность работ и требует больших затрат труда и времени на приведение забоев в безопасное состояние.
В связи с этим на глубоких горизонтах рудников «Октябрьский» и «Таймырский» широкое распространение получила сплошная камерная выемка руды на полную мощность рудного тела с предварительной разгрузкой массива от повышенных напряжений с помощью бурения строчки скважин большего диаметра (130 - 200 мм) в кровле рудного тела. Данный метод разгрузки массива первоначально был апробирован при разработке широкого барьерного целика между шахтами № 1 и № 2 рудника «Октябрьский» и
показал свою эффективность. В настоящее время это основной способ приведения зоны очистных работ в безопасное состояние [3].
При камерной выемке запасов на отгрузке горной массы применялись автоматизированные комплексы горного оборудования, что позволило при высокой эффективности горного производства, исключить присутствие горнорабочих в опасных зонах, создать наиболее безопасные условия труда.
В то же время большая длина камер (60 м) при их ширине, равной 8 м, не позволяет полностью зачистить шероховатую почву, что приводит к увеличению потерь полезного ископаемого, по сравнению со слоевыми системами разработки. Кроме того, повышенное разубоживание руды бетоном отрицательно сказывается на последующих стадиях обогащения полезного ископаемого.
Перспективы развития рудной базы ЗФ ПАО «ГМК «Норильский Никель» связаны с освоением Северных залежей Октябрьского месторождения, запасы которых, основные для восполнения выбывающих мощностей по добыче богатых руд в период после 2025 г., будут отрабатываться глубокими (1700-2000 м) горизонтами рудника «Скалистый.
Этот прирост глубины, казалось бы, не столь значительный по сравнению с уже достигнутой глубиной, тем не менее, приводит к тому, что глубокие залежи рудника «Скалистый» будут отрабатываться в существенно иных условиях, осложненных увеличением горного давления, возрастанием температуры массива до 45° и более, трудностями проветривания.
Отличительная особенность Северных залежей - это их относительно небольшая мощность, которая колеблется от 5 до 3 м. При этом 50 % площади составляют залежи мощностью менее 10 - 15 м.
При таких параметрах применение традиционных схем разрезки рудных тел по длинной оси с движением очистных фронтов в сторону флангов неизбежно приведет к сокращению действующих очистных забоев и снижению производительности отработки.
В связи с этим, для условий разработки Северных залежей предлагается использовать инновационную технологию совместной разработки сплошных сульфидных и вкрапленных руд, расположенных выше богатых, что увеличивает мощность продуктивного пласта до 50 - 70 ми позволяет вести добычу высокопроизводительными системами разработки.
Совместная выемка разносортных руд расширяет возможный спектр технологических приемов воздействия на массив, увеличивает коэффициент использования горного оборудования, уменьшает контакт с наиболее разогретым рудным массивом, исключает допуск людей в очистное пространство за счет автоматизации добычи руды.
Здесь представляется перспективным применение наиболее прогрессивной технологии разработки удароопасных залежей с клинообразным фронтом ведения очистных работ, использованием на добыче высокопроиз-
водительного оборудования, необходимого для достижения устойчивых показателей производительности рудника.
При этом появляется возможность исключить цикличность работ и осуществлять основные технологические процессы добычи руды (бурение, погрузка и транспортировка горной массы, закладка выработанного пространства) независимо друг от друга.
Для данных условий была разработана сплошная система разработки с закладкой, с выемкой руды камерами с отбойкой руды по методу VСR [2, 4-6] и клинообразным фронтом очистной выемки (рис. 3).
Рис. 3. Отработка разносортных руд с применением метода VCR: 1 - богатая руда; 2 - бедная руда; 3 - закладочный массив; 4 - очистной блок; 5 - параллельные скважины; 6 - веерные скважины; 7 - отбитая руда; 8 - выработки нижней подсечки; 9 - угол развертки фронта очистных работ; 10 - выработки кровли
Эта технология основана на наиболее важных достижениях, апробированных мировой практикой ведения горных работ, и передовых методах разработки, внедренных на глубоких рудниках ЗФ ПАО «ГМК «Норильский Никель».
Это применение клинообразного фронта ведения горных работ, который широко применяется при разработке глубокозалегающих месторождений ЮАР, где отмечается наибольшее число горных ударов.
Использование технологии выемки руды камерами с применением перспективной отработки запасов по методу VRM (Vertical retreat mining) с выемкой руды обратным ходом и отбойкой руды по методу VCR скважинами большого диаметра с последующей закладкой выработанного пространства.
Данная технология, с успехом применяющаяся на рудниках Канады и Австралии, и заключается в секционной отбойке руды с параллельными скважинами большого диаметра, пробуренными с верхнего горизонта камеры сверху вниз, с выемкой секций (слоев) снизу вверх, что обеспечивает устойчивость очистных выработок, поскольку вертикальные обнажения камер достигают больших размеров на последней стадии отбойки и поддерживаются отбитой рудой [4-6].
Предлагаемая форма камер в виде вертикальных блоков - квадратная с размерами 12*12 м или 15*15 м, также способствует повышению их устойчивости. Разработанная технология позволяет производить раздельную выдачу руды на поверхность - сначала богатой, слоями или на полную мощность, а затем вкрапленной. Такая последовательность обусловлена особенностями сплошных сульфидных руд, склонных к слеживаемости и самовозгоранию.
Отгрузка горной массы из камер будет производиться погрузочно-доставочными комплексами с дистанционным управлением, что повысит безопасность горных работ, а применение машин с электрическим проводом существенно уменьшит затраты на проветривание выработок.
Успешное применение разработанной технологии на сверхглубоких горизонтах рудников возможно только после всесторонней оценки напряженно-деформированного состояния массива в зоне очистных работ, устойчивости конструктивных элементов системы разработки и удароопасности пород.
Для условий совместной выемки богатых и вкрапленных руд на глубоких горизонтах рудника «Скалистый» предлагаемой системой разработки была выполнена такая оценка с помощью математического моделирования методом конечных элементов с использованием программного комплекса АШУБ.
Разработанная объемная модель соответствует принципиальной схеме развития подготовительных и очистных работ клинообразным фронтом при одновременной выемке сплошных и вкрапленных руд в нескольких очистных камерах на всю мощность рудных тел на глубине 2000 м.
Как показали результаты расчетов, во вкрапленных и сплошных рудах горизонтальные напряжения (Ох, Оу) вблизи первой (центральной ленты составляют 30,0.40,0 МПа. Эти напряжения практически не изменяются по высоте рудного массива и увеличиваются до 50,0.60,0 МПа лишь в кровле вкрапленных руд, на контакте с перекрывающими рудную толщу прочными долеритами, характеризующимися большими значениями модуля деформации по сравнению с рудами.
При этом горизонтальные напряжения Ох, действующие перпендикулярно направлению движения очистных забоев, составляют 20,0.30,0 МПа и меньше горизонтальных напряжений Оу, действующих параллельно
направлению движения очистных забоев и равных 30,0...40,0 МПа, что значительно ниже прочности руд и пород на сжатие.
Наибольшую опасность представляют действующие вертикальные напряжения.
В рудном массиве вертикальные напряжения 02 вблизи первой очистной ленты равны 40,0.60,0 МПа, как в бортах очистных лент, так и перед забоем, что значительно ниже прочности руд на сжатие. Здесь можно ожидать незначительных разрушений пород вокруг подготовительных выработок.
По мере увеличения пролетов заложенного массива, в бортах вторых очистных лент, а также перед забоем третьих и четвертых лент, напряжения 02 увеличиваются до 80,0.110,0 МПа, т.е. становятся соизмеримыми с пределом прочности руд на одноосное сжатие, что создает угрозу разрушения массива в результате горного удара.
Выполненная оценка устойчивости бортов очистной выработки с использованием критерия Кулона - Мора показала, что состояние очистных камер характеризуется как устойчивое. Отмечаются отдельные зоны на границе сплошных сульфидных и вкрапленных руд, где могут отмечаться незначительные разрушения массива (рис. 4).
Рис. 4. Характер распределения вертикальных напряжений (ог) и оценка удароопасности массива в зоне ведения очистных работ с учетом подготовительных выработок, пройденных по почве рудного тела:
а - около подготовительных выработок, пройденных в массиве сплошных руд; б - схема участка; в - зоны возможного разрушения
массива; г - удароопасные зоны
В выявленных зонах возможного разрушения массива необходимо проводить комплекс мероприятий по разгрузке от повышенных напряжений путем бурения строчки скважин в бортах подготовительных выработок, что создает условия для безопасной и эффективной отработки запасов на сверхглубоких горизонтах.
Применение технологии разработки залежей с выемкой руды высокими камерами (вертикальные блоки) допускает существенное снижение требований к прочностным свойствам закладки из-за необходимости обеспечить устойчивость только вертикального обнажения закладочного массива.
В этих условиях наиболее перспективны составы закладочных смесей на основе вмещающих пород месторождения.
Совместная разработка богатых и вкрапленных руд позволяет существенно сократить затраты на производство закладочных работ в результате предподготовки рудной массы и выделения из вкрапленных руд пустой породы, используемой в качестве заполнителя твердеющей смеси совместно с породами, получаемыми при проходке выработок.
Рудоподготовка вкрапленных руд осуществляется путем дробления горной массы в созданном для этого подземном закладочном комплексе, расположенном на вентиляционно-закладочном горизонте [4]. Затем производится предконцентрация полезного ископаемого радиометрическим методом в сепараторах, в результате чего горная масса разделяется на сульфидную руду, которая выдается на поверхность, и пустые породы, которые, как и породы, получаемые при проходке выработок, доставляют на пункт приготовления закладочной смеси.
На рис. 5 представлена горнотехническая система совместной разработки сплошных сульфидных и вкрапленных руд на сверхглубоких горизонтах рудников ЗФ ПАО «ГМК «Норильский Никель», при которой богатая руда выдается на поверхность, а вкрапленная подвергается предконцентрации горной массы под землей с отделением пустой породы, которая используется для закладки выработанного пространства. Выделенная в результате сепарации вкрапленных руд богатая часть также выдается на поверхность.
Технология рудничной сепарации широко применяется в основном на поверхностных комплексах. На отечественных предприятиях - Учалин-ский и Гайский ГОКи в качестве основных используются сепараторы СФР 2-300 [7, 8]. За рубежом наиболее распространение данный метод получил в Канаде (Компания ИНКО) на подземном руднике «МеСгееёуБав1;-Мте», где полученные пустые породы после предконцентрации используются в качестве закладочного материала с инъекционной подачей, вяжущего [9, 10].
Рис. 5. Горнотехническая система разработки разносортных руд Норильского района на больших глубинах с предконцентрацией под землей отбитых вкрапленных руд и использованием пустых пород для закладки выработанного пространства:
1 - вентиляционно-закладочный горизонт; 2 - закладочный трубопровод; 3 - пункт приготовления смеси; 4 - конусная дробилка; 5 - грохот; 6 - ПДМ; 7 - вибропитатель; 8 - щековая дробилка;
9 - бункер; 10 - сепаратор; 11 - руда после предконцентрации;
12 - отходы сепарации; 13 - самосвал; 14 - спиральный уклон
В настоящее время в России разработаны высокоскоростные ленточные сепараторы, которые в сочетании с конусными дробилками типа КИД-1200 обеспечивают производительность до 70 т/г при крупности питания +20/-120 мм.
При этом возможны два варианта приготовления закладочных смесей. Первый предусматривает создание под землей закладочных комплексов, где происходит дробление пород до требуемых размеров и приготовление твердеющей смеси путем добавления в нее цемента и воды.
Второй вариант успешно применяется при разработке золотосодержащего месторождения рудником «Купол», где использован опыт приготовления закладочной смеси на рудниках Канады. Пустая порода подвергалась на поверхности дроблению и доставлялась автосамосвалами в приемную полость, расположенную под землей, куда подается раствор цементного молочка в объеме 8.10 %. Эта масса перемешивалась и с помощью ПДМ доставлялась в выработанное пространство.
Опыт внедрения данной технологии на руднике «Купол», показал, что прочность закладочного массива составляла 1,0.1,5 МПа и обеспечивала устойчивость закладки при обнажении ее в результате взрывных работ в соседнем блоке.
Таким образом, технология совместной разработки сплошных сульфидных и вкрапленных руд использует наиболее прогрессивные технические решения, апробированные в практике ведения горных работ на рудниках ЗФ ПАО «ГМК «Норильский Никель», и новые разработки, включая предконцентрацию горной массы путем сепарации вкрапленных руд под землей и использование породной части в качестве компонента закладочных смесей.
Предлагаемая горнотехническая система разработки сверхглубоких залежей разносортных руд позволяет в сложных условиях удароопасности массива горных пород обеспечить заданные значения производительности рудника, снижение трудозатрат на основных производственных процессах добычи руды за счет автоматизации и роботизации производства, сократить объем выдаваемой на поверхность горной массы, снизить затраты на производство закладочных работ, что, в целом, обеспечит повышение эффективности горного производства и безопасность работ.
Список литературы
1. Бронников Д.М., Замесов Н.Ф., Богданов Г.И. Разработка руд на больших глубинах. М.: Недра, 1982.
2. Развитие интенсивных методов добычи руд на больших глубинах / Н.Ф. Замесов [и др.]. М.: ИПКОН АН СССР, 1990.
3. Методика расчета межскважинных целиков для формирования защищенных зон в условиях удароопасных месторождений Талнаха / В.П. Марысюк, С.Ю. Шиленко, А.А. Андреев, А.Н. Шабаров // Горный журнал. 2023. №1. С. 106-112.
4. Айнбиндер И.И., Пацкевич П.Г., Овчаренко О.В. Перспективы развития геотехнологий подземной добычи руд на глубоких рудниках Тал-нахского и Октябрьского месторождений // Горная промышленность. 2021. № 5. С. 70-75.
5. Crocker C.S. Vertical Crater Retreat Mining at the Centennial Mine. // Mining Congress Journal, number 6, June, 1979.
6. Small block VCR Mining at Homestake // Mining Engineering, 1988. Vol. 40, N9.
7. Туртыгина Н.А., Охрименко А.В. Показатели численного моделирования технологии внутрирудничной предконцентрации рудной массы // ГИАБ. 2018. № 4. С. 3-12.
8. Опыт разработки Учалинского месторождения медно-никелевых руд / В.В. Григорьев, А.В. Сараскин, М.П. Орлов, В.Ю. Исаев // Горный журнал. 2004. № 6. С.41-45.
9. Barber A., Klein B. Development of Underground Mining and Processing System at INCO's McCreedyEastMine // Unpublished MAS Thesis. University of British Columbia; 2004.
10. Barber A. Reducing Selectivity in Narrow-Vein Mining through the Integration of Underground Pre-concentrathion // Canadian Institute of Mining, Metallurgy and Petroleum; 2004.
Айнбиндер Игорь Израилевич, д-р техн. наук, профессор, гл. науч. сотр., geoex-pert@ yandex.ru, Россия, Москва, Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В. Мельникова РАН,
Овчаренко Оксана Васильевна, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., [email protected]. Россия, Москва, Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н. В. Мельникова РАН,
Пацкевич Петр Геннадиевич, канд. техн. наук, зав. лабораторией, [email protected]. Россия, Москва, Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В. Мельникова РАН
JUSTIFICATION OF THE TECHNOLOGY OF JOINT DEVELOPMENT OF RICH AND INTERSPERSED ORES IN THE ULTRA-DEEP LEVELS OF THE NORILSK MINES
I.I. Aynbinder, O.V.Ovcharenko, P.G.Patskevich
An innovative technology of joint development of different-grade ores is proposed: a mining with backfill with a wedge-shaped front of ore extraction, ore stripping by the VCR method. The new technology is proposed to carry out a preliminary concentration of interspersed ores in underground conditions, separation of waste rock, which is then used as storage mixtures. Thus, the mining engineering system allows to ensure the safety of mining, extend the service life of mine and reduce the environmental burden on the territory of the district.
Key words: mining with backfill, ore deposit, preliminary concentration of interspersed ores, separation of rock, stress-strain state ofrock, mathematical modeling.
Einbinder Igor Israilevich, doctor of technical sciences, professor, chief scientist officer, geoexpert@ yandex.ru, Russia, Moscow, Academician N.V. Melnikov Institute of Problems of Integrated Subsoil Development of the Russian Academy of Sciences,
Ovcharenko Oksana Vasilyevna, candidate of technical sciences, art. officer, [email protected]. Russia, Moscow, Academician N. V. Melnikov Institute of Problems of Integrated Subsoil Development of the Russian Academy of Sciences,
Patskevich Peter Gennadievich, candidate of technical sciences, head of the laboratory, [email protected]. Russia, Moscow, Academician N.V. Melnikov Institute of Problems of Integrated Subsoil Development of the Russian Academy of Sciences
Reference
1. Bronnikov D.M., Zamesov N.F., Bogdanov G.I. Development of ores at great depths. Moscow: Nedra, 1982.
2. Development of intensive methods of ore extraction at great depths / N.F. Zamesov [et al.]. M.: IPCON of the USSR Academy of Sciences, 1990.
3. The methodology for calculating inter-well targets for the formation of protected zones in conditions of impact-prone Talnakh deposits / V.P. Marysyuk, S.Yu. Shilenko, A.A. Andreev, A.N. Shabarov // Mining Journal. 2023. No. 1. pp. 106-112.
4. Einbinder I.I., Patskevich P.G., Ovcharenko O.V. Prospects for the development of geotechnologies for underground ore mining in deep mines of Talnakh and Oktyabrsky deposits // Mining industry. 2021. No. 5. p. 70 75.
5. Crocker K.S. Mining in a vertical crater at the Centennial mine. // Mining Congress Magazine, number 6, June 1979
6. Mining of small blocks of video recorders in a Homestead // Mining, 1988. Volume 40, number 9.
7. Turtygina N.A., Okhrimenko A.V. Indicators of numerical modeling of the technology of intracranial preconcentration of ore mass // GIAB. 2018. No. 4. pp. 3-12.
8. Experience in the development of the Uchalinsky deposit of copper-nickel ores / V.V. Grigoriev, A.V. Saraskin, M.P. Orlov, V.Yu. Isa-ev // Mining magazine. 2004. No. 6. pp.41-45.
9. Barber A., Klein B. Development of a system of underground mining and processing of minerals at the McCready East INCO mine // Unpublished materials. University of British Columbia; 2004.
10. Barber A. Reduction of selectivity in the extraction of minerals by narrow veins due to the introduction of underground pre-concentration // Canadian Institute of Mining, Metallurgy and Petroleum; 2004.
УДК 622.272
ПОСТРОЕНИЕ И ГОРНО-МЕХАНИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТЕПЕННОЙ МОДЕЛИ ПАСПОРТА ПРОЧНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД
В. А. Антонов
Изложена методология построения и интерпретации функционально-степенной модели нелинейного паспорта прочности горных пород. Она формируется регрессионным методом с учетом случайной погрешности экспериментальных определений прочности их образцов. Интерпретация модели дает смысловое толкование функциональным и количественным связям относительно возрастающего нормального напряжения на площадке сдвижения разрушающейся горной породы с соответствующими изменениями предельного касательного напряжения, условного коэффициента и угла ее внутреннего трения, а также предельных углов наклона площадки к направлениям главных напряжений. Показано, что применение данной модели в расчетах коэффициента запаса устойчивости бортов и уступов карьера повышает по сравнению с распространенной линейной моделью их обоснованность и достоверность.
Ключевые слова: паспорт прочности горных пород, нелинейная модель, касательное напряжение, коэффициент и угол внутреннего трения.
Для описания механической устойчивости массива горных пород, слагающих разрабатываемые месторождения полезных ископаемых, созда-
