CC BY
24
УДК 622.272.06:622.341
ОСНОВЫ ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СТРАТЕГИИ ОСВОЕНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ЗОН РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОДЗЕМНЫМ
СПОСОБОМ
И.В. Соколов, Ю.Г. Антипин
Изложены основы геотехнологической стратегии освоения переходных зон при последовательной схеме комбинированной разработки рудных месторождений. Систематизированы типы переходных зон, разработаны варианты геотехнологии, учитывающие специфические факторы и условия, сформированные при открытых горных работах, и обеспечивающие оптимальные условия для подземных горных работ на стабильном этапе. На основе экономико-математического моделирования установлен оптимальный вариант геотехнологической стратегии по выдвинутым критериям.
Ключевые слова: геотехнологическая стратегия, переходный процесс, переходная зона, производительность, капитальные и эксплуатационные затраты, вскрытие, система разработки.
Актуальность. Проблематика обоснования геотехнологической стратегии (ГС) перехода от открытых горных работ (ОГР) к подземным (ПГР) в значительной степени связана с обеспечением безопасности и эффективности освоения переходных зон (ПЗ) [1-5]. Необходимыми требованиями при принятии организационных, технических и технологических решений являются: четкое понимание цели и задач переходного процесса, знание присущих ему закономерностей, учет сложившихся на его начало и формирование необходимых на его завершение условий, актуализация положительных и нейтрализация негативных факторов, действующих в переходный период. Методологической базой выбора ГС может являться всесторонний учет указанных специфических факторов и условий с целью обеспечения наибольшей эффективности и безопасности отработки как ПЗ, так и основных запасов подземным способом, рассматриваемых в совокупности. Следовательно, разработка научных основ ГС освоения переходных зон рудных месторождений подземным способом представляет собой весьма актуальную научно-техническую задачу.
Результаты исследований. Анализ опыта освоения 125 месторождений комбинированным способом показал, что переходный процесс всегда связан со скачкообразным преобразованием предприятия, характеризующимся резкими изменениями характера и ТЭП его деятельности [6-8]. С другой стороны, переходный процесс неразрывно связан с конкретным разрабатываемым участком месторождения - ПЗ, в пределах которой и осуществляются необходимые изменения. Переходный период характеризует время реализации переходного процесса.
Характеристиками переходного процесса являются: резкое изменение величины производительности предприятия, как правило, в сторону ее снижения, и всплеск величины капитальных вложений, в несколько раз превышающих необходимую их величину для поддержания производственной мощности предприятия в стабильный период ОГР. Этот всплеск связан с необходимостью подготовки производственных площадей для добычи руды качественно новой - подземной геотехнологией. Следствием является резкое уменьшение доходности горнодобывающего предприятия в переходный период. На снижение доходности при освоении ПЗ также существенно влияют увеличенные по сравнению со стабильным периодом ПГР эксплуатационные затраты, связанные с влиянием негативных специфических факторов - повышенного горного давления в прикарьерном массиве, активных аэродинамических и гидродинамических связей между подземными выработками и карьером и других.
Таким образом, переходный процесс при комбинированной разработке определен как освоение (вскрытие, очистная выемка и погашение) части месторождения с целью перевода горнодобывающего предприятия от одного стабильного состояния к другому; а переходная зона - как часть месторождения, в пределах которой осуществляются организационно-технические и технологические мероприятия, направленные на создание оптимальных условий для освоения основных запасов (ОЗ) в стабильном периоде ПГР с учетом специфических факторов и условий, сформированных при ОГР [9].
Переходный процесс обусловливает тип ПЗ в зависимости от стадии освоения месторождения ПГР и ОГР, и затрагивает различные подсистемы горнотехнической системы (ГТС) подземного рудника (табл. 1).
Таблица 1
Типы ПЗ при подземной разработке месторождений
Стадия освоения месторождения Тип переходной зоны (объект освоения) Подсистемы ГТС рудника затрагиваемые переходным процессом
Переход от открытых горных работ к подземным
1. Совместное ведение открытых и подземных горных работ (параллельная схема) Этаж (этажи), смежные с рудным барьерным целиком Вскрытие, подготовка и отработка этажа (этажей), смежного с рудным барьерным целиком с целью создания искусственного барьерного целика. Порядок и направление развития ПГР в шаге вскрытия и отработки
Окончание табл. 1
2. Переход от открытых горных работ к подземным (последовательная схема) Этаж (подэтаж) между карьером и основными подземными запасами Вскрытие, подготовка и отработка запасов ПЗ. Порядок и направление развития ПГР в ПЗ и ОЗ
Переход к новому шагу вскрытия и отработки месторождения
3. Переход от одноярусного к многоярусному освоению месторождения Переходная зона не образуется. На последнем этапе - рудный барьерный целик Вскрытие нового яруса. Порядок и направление развития ПГР в ПЗ и ОЗ
4. Переход к новому шагу освоения месторождения Смежный этаж (подэтаж) между старым и новым шагом Вскрытие, подготовка и отработка смежного этажа. Порядок и направление развития подземных горных работ в ПЗ и ОЗ
5. Переход к новому этажу в одном шаге освоения (при условии изменении технологии и (или) геотехники) Смежный этаж (подэтаж), осваиваемый новой технологией и (или) геотехникой Подготовка и отработка смежного этажа (подэтажа) новой технологией и (или) геотехникой. Порядок и направление развития подземных горных работ в ПЗ и ОЗ
6. Переход к новой выемочной единице (при условии изменении технологии и (или) геотехники) Смежная выемочная единица (камера, блок, панель), осваиваемая новой технологией и (или) геотехникой Подготовка, нарезка и отработка смежной выемочной единицы новой технологией и (или) геотехникой
Исходя из установленных принципов и решаемых научно-технических задач, систематизированы варианты подземной геотехнологии освоения ПЗ при последовательной схеме комбинированной разработки рудных месторождений, отличающиеся следующими признаками: состояние карьера, порядок отработки, способ и схема вскрытия, система разработки ПЗ и ОЗ, способ изоляции ПГР от карьера (табл. 2).
В соответствии с систематизацией сконструировано и оценено 4 варианта подземной геотехнологии освоения ПЗ для горно-геологических и горнотехнических условий разработки уральского медноколчеданного месторождения - мощность рудного тела 40 м, угол падения 50°, глубина залегания 500 м, глубина карьера 260 м, производственная мощность рудника 500 тыс.т/год, высота этажа 60 м, содержание меди в руде 1,8 % [11].
Исходя из того, что в переходный период происходит резкое снижение доходности от эксплуатации месторождения, за критерий оценки вариантов подземной геотехнологии при освоении только ПЗ предложен минимум снижения доходности АД горнодобывающего предприятия при переходе от одного стабильного состояния к другому
АД = Д0 - Дп ^max, руб., (1)
где ДО - среднегодовой доход предприятия в стабильном периоде ОГР (или ПГР), руб./год; ДП - среднегодовой доход предприятия в переходном периоде, определяемый путем дисконтирования выручки, капитальных и эксплуатационных затрат, руб./год,
Дп = 1
г=1
£ (1 - РП)ЕоАП - (КП + СПАП)
/ Т ^ тах
(1 - Е)1
(2)
где - производственная мощность предприятия по руде в г-м году переходного периода, т/год; КПг - капитальные затраты на строительство подземного рудника в г-м году переходного периода с учетом специфических факторов, руб.; СП - эксплуатационные затраты на добычу 1 т руды при отработке ПЗ с учетом специфических факторов, руб./т.; Т - продолжительность переходного периода, рассчитываемая от начала капитальных вложений до окончания отработки ПЗ, год.
Таблица 2
Варианты подземной геотехнологии освоения ПЗ
Элемент гео- Вариант геотехнологии
технологии 1 2 3 4
Состояние обрушен или в устойчивом обрушен или в устойчивом
карьера внутренний отвал на его дне состоянии внутренний отвал на его дне состоянии
Порядок от- нисходящий восходящий
работки
Способ и схе- вертикальными автоуклонами вертикальными автоуклонами
ма вскрытия стволами с по- из карьера и с стволами с по- из карьера и с
ПЗ и ОЗ верхности поверхности верхности поверхности
Система раз- этажное прину- этажно- этажное прину- этажно-
работки ПЗ дительное или камерная или дительное или камерная или
подэтажное об- горизонтальные подэтажное об- горизонтальные
рушение слои с закладкой рушение слои с закладкой
Способ изо- массивом раз- рудным или ис- массивом раз- рудным или ис-
ляции ПЗ рыхленных по- кусственным рыхленных по- кусственным
род на дне целиком в пре- род на дне целиком в пре-
карьера делах ПЗ карьера, без изоляции делах ПЗ
Система раз- этажное прину- этажно- этажно (подэтажно)-камерная с
работки ОЗ дительное или камерная с за- закладкой под рудным массивом
подэтажное об- кладкой под
рушение под закладочным
массивом пород массивом
Оценка вариантов геотехнологии освоения ПЗ по критерию АД при среднегодовом доходе предприятия в период ведения ОГР 300 млн руб., сроке отработки ПЗ 8 лет; норме дисконта 10 % показала (рис. 1):
- среднегодовой доход предприятия в переходный период ДП значительно ниже среднегодового дохода при ОГР ДО и находится в диапазоне ДП =90-190 млн руб. (что составляет от 30 до 65 % ДО);
- наиболее эффективным является вариант 4 за счет более низких эксплуатационных затрат на добычу руды (по сравнению с вариантом 2) и более низких капитальных затрат на вскрытие (по сравнению с вариантами 1 иЗ).
АД. млн ру&.
ОсвоениеПЗ по варианту 1
ОсвоениеПЗ по вариант}' 2
-ОсвоениеПЗ по вариант^' 3
■ОсвоениеПЗ по вариант}' 4
140 200 260 320 380 440
Нк. М
Рис. 1. Снижение доходности АД по вариантам геотехнологии
Поскольку целью освоения ПЗ при комбинированной разработке является обеспечение условий для эффективной и безопасной отработки ОЗ, то для оценки геотехнологии освоения ПЗ и соответствующей ГС предложен интегральный эффект от освоения всех запасов, предназначенных для ПГР. При этом оптимальные параметры и показатели освоения ПЗ соответствуют максимуму данного эффекта. В качестве критерия оценки принят максимум чистого дисконтированного дохода (ЧДД) в следующем виде:
Т ( Т Т ^
ЧДД
2 Цг
г=0
(1+я у
2 К,
г=0
+
2 Эг г=0
(1 + Е ) (1 + Е )
^ тах, руб.,
(3)
где Т - суммарная продолжительность строительства рудника и освоения всех запасов месторождения ПГР, год; Цг - извлекаемая ценность компонентов, получаемая в г-м году, руб./год; Кг - капитальные затраты на
строительство рудника в /-м году, руб./год; Эг - эксплуатационные затраты на добычу руды в /-м году, руб./год; Е - норма дисконта, доли ед.
В результате ЭММ вариантов ГС освоения ПЗ и ОЗ с учетом динамики развития ПГР во времени установлено (рис. 2):
- оптимальным является вариант 2 за счет быстрейшего (на 3-й год строительства) ввода рудника в эксплуатацию для освоения ПЗ, отсрочки во времени капвложений на вскрытие ОЗ (10, 17 и 24 года) и более низких капитальных затрат даже при более высоких эксплуатационных затратах. Уже при отработке ПЗ образуется доход в размере 455 млн руб., что составляет 32 % от общего дохода по варианту геотехнологии;
- варианты 1 и 3 значительно уступают по эффективности из-за большого срока строительства рудника (7 и 8 лет, соответственно) и удлинения срока окупаемости (25 и более лет). Эти результаты подтверждают нецелесообразность вскрытия вертикальными стволами с поверхности при последовательной схеме комбинированной разработки меднорудых месторождений с относительно небольшими запасами (до 15...20 млн т).
ЧДД, млн. руб
Заключение. Таким образом, внесен вклад в развитие основ геотехнологической стратегии освоения переходных зон при последовательной схеме комбинированной разработки рудных месторождений, состоящий в систематизации, формировании и конструировании вариантов геотехнологии с учетом специфических факторов и условий, сформированных при открытых горных работах, с целью обеспечения оптимальных условий при освоении запасов на нормальной стадии развития подземных горных работ, и в установлении на основе экономико-математического моделирования оптимальной геотехнологической стратегии по критерию интегрального эффекта от освоения переходной зоны и основных запасов месторождения.
Работа выполнена в рамках Госзадания №075-00581-19-00. Тема №0405-2019-0005.
Список литературы
1. Трубецкой К.Н. Развитие ресурсосберегающих и ресурсовоспро-изводящих геотехнологий комплексного освоения месторождений полезных ископаемых. М.: ИПКОН РАН, 2014. 196 с.
2. Каплунов Д. Р., Калмыков В. Н., Рыльникова М. В. Комбинированная геотехнология. М.: Руда и металлы, 2003. 558 с.
3. Каплунов Д.Р., Рыльникова М.В. Геотехнологические и геомеханические особенности перехода от открытых к подземным горным работам на больших глубинах // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2015. № S56. С. 67-79.
4. Яковлев В.Л., Корнилков С.В., Соколов И.В. Инновационный базис стратегии комплексного освоения ресурсов минерального сырья / под ред. член-корр. РАН В. Л. Яковлева. Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2018. 360 с.
5. Epstein R., Goic M., Weintraub A., Catalan J., Santibanez P., et al. Optimizing long-term production plans in underground and open-pit copper mines // Operations Research. 2012. Vol. 60. No. 1. P. 4-17.
6. Исследование переходных процессов при комбинированной разработке рудных месторождений / В. Л. Яковлев, И.В. Соколов, Г.Г. Сакан-цев, И.Л. Кравчук // Горный журнал. 2017. № 7. С. 46 - 50.
7. Волков Ю.В. Подземная разработка медноколчеданных месторождений Урала. Екатеринбург: УрО РАН, 2006. 232 с.
8. Strategic mining options optimization: Open pit mining, underground mining or both / E. Ben-Awuah, O. Richter, T. Elkington, Y. Pourrahimian // International Journal of Mining Science and Technology. 2016. Vol. 26. No. 6. P. 1065-1071.
9. Соколов И.В. Антипин Ю.Г., Никитин И.В. Принципы формирования и критерий оценки геотехнологической стратегии освоения переходных зон рудных месторождений подземным способом // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. №9. С. 151-160.
10. Методология выбора подземной геотехнологии освоения переходных зон при комбинированной разработке рудных месторождений / И.В. Соколов, А. А. Смирнов, Ю.Г. Антипин, И.В. Никитин // Горный журнал. 2018. №1. С. 22-26.
11. Никитин И. В. Оптимизация параметров вскрытия при подземной разработке подкарьерных запасов кимберлитового месторождения // Проблемы недропользования [Электронный ресурс]. 2017. №1. С. 21-28. URL: http://trud.igduran.ru.
Соколов Игорь Владимирович, зав. лабораторией, д-р техн. наук, [email protected], Россия, Екатеринбург, Институт горного дела УрО РАН,
Антипин Юрий Георгиевич, ст. науч. сотрудник, канд. техн. наук, Россия, [email protected], Екатеринбург, Институт горного дела УрО РАН
GEOTECHNOLOGICAL STRATEGY FUNDAMENTALS OF DEVELOPING TRANSITION ZONES OF ORE DEPOSITS MINING BY UNDERGROUND METHOD
I.V. Sokolov, Yu.G. Antipin
The fundamentals of a geotechnological strategy of mining of transition zones with a sequential scheme of combined mining of ore deposits are described. The types of transition zones are systematized, geotechnology variants are developed, taking into account specific factors and conditions formed during opencast mining, and providing optimal conditions for underground mining at a stable stage. Based on the economic and mathematical modeling, the optimal variant of the geotechnological strategy according to the criteria set forth has been established.
Key words: geotechnological strategy, transition process, transition zone, capacity, capital and operating costs, opening, mining system.
Sokolov Igor Vladimirovich, doctor of technical sciences, head of the laboratory, [email protected], Russia, Yekaterinburg, Institute of Mining of Ural Branch of RAS,
Antipin Yury Georgievich, candidate of technical sciences, senior research worker, [email protected], Russia, Yekaterinburg, Institute of Mining of Ural Branch of RAS
Reference
1. Trubetskoy K. N. Development of resource-saving and resource-reproducing geotechnologies of complex development of mineral deposits. M.: - IPKON RAS. 2014. 196 p.
2. Kaplunov D. R., Kalmykov V. N., Ryl'nikova M. V. Combined Geotechnology. M.: Ore and metals, 2003. 558 p.
3. D. R. Kaplunov, M. V. Ryl'nikova geotechnical and geomechanical characteristics of transition from open to underground mining at great depths // Mining information-analytical Bulletin (scientific and technical journal). 2015. No. S56. S. 67 to 79.
4. Yakovlev V. L., kornilkov S. V., Sokolov I. V. Innovative basis for strategy of integrated development of mineral resources / edited by corresponding member. Of RAS V. L. Yakovlev. Ekaterinburg: IGD Uro ran, 2018. 360 PP.
5. Epstein R., Goic M., Weintraub A., Catalan J., Santibanez P., et al. Optimizing long-term production plans in underground and open-pit copper mines // Operations Research. 2012. Vol. 60. No. 2. 1. P. 4-17.
6. The study of transient processes in the combined development of ore deposits / V. L. Yakovlev, I. V. Sokolov, G. G. Sakantsev, I. L. Kravchuk // Mining journal. 2017. No. 7. P. 46 - 50.
7. Volkov Yu. V. Underground development of copper-plated birthplace of the Urals. Ekaterinburg: Uro ran, 2006. 232 PP.
8. Strategic mining options optimization: Open pit mining, underground mining or both / E. Ben-Awuah, O. Richter, T. Elkington, Y. Pourrahimian // International Journal of Mining Science and Technology. 2016. Vol. 26. No. 2. 6. P. 1065-1071.
9. Sokolov, I. V., Antipin Yu. G., Nikitin I. V. the Principles of formation and the criterion of evaluation of geotechnical exploration strategy transition zones of ore deposits by underground mining // Mining information-analytical Bulletin. 2017. No. 9. P. 151-160.
10. Methodology of selection of underground Geotechnology of transition zones development in the combined development of ore deposits / I. V. Sokolov, A. A. Smirnov, Yu. G. Antipin, I. V. Nikitin // Mining journal. 2018. No. 1. P. 22-26.
11. Nikitin I. V. Optimization of parameters of opening at underground development of underground reserves of the kimberlite field // Problems of subsoil use [Electronic resource]. 2017. No. 1. P. 21-28. URL: http://trud.igduran.ru.
УДК 622.83, 622.271.33
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ БОРТОВ КАРЬЕРОВ С ОБРАТНОЙ КРУТОПАДАЮЩЕЙ СЛОИСТОСТЬЮ
С.В. Цирель, А. А. Павлович, Н.Я. Мельников
Деформирование бортов карьеров с обратной крутопадающей слоистостью начинается еще задолго до наступления предельного состояния и проявляется в виде раскрытия трещин и образования «обратных ступенек» на поверхности откоса. Причем потеря устойчивости борта, как правило, не наблюдается, но и нормальная эксплуатация карьера невозможна. Поэтому оценку устойчивости откосов для данных условий необходимо выполнять одновременно по несущей способности и по деформациям. На основании анализа и интерпретации результатов физического моделирования, расчетов методами предельного равновесия и конечных элементов разработана методика определения предельных параметров бортов карьеров учитывающая прочностные свойства массива горных пород и допустимую величину смещения.
Ключевые слова: борт карьера, физическое моделирование, метод конечных элементов, метод алгебраического сложение сил, слоистость, коэффициент запаса, смещение, опрокидывание
Введение
Многочисленные методы расчетов устойчивости бортов карьеров основаны на теории предельного равновесия, а в качестве критерия устойчивости принимается коэффициент запаса, который определяется путем сопоставления удерживающих и сдвигающих сил, действующих по наиболее напряжённой поверхности скольжения [1, 2].
Однако данный подход применим не во всех инженерно-геологических условиях. К таким примерам следует отнести борта карьеров с крутопадающей слоистостью, направленной в массив (далее обратное падение). В работе [3] приведены результаты наблюдений, согласно которым при сравнительно пологих углах наклона бортов и коэффициен-
