CC BY
13
2008
УДК 622.271.3 (571.56)
А.С. Чаадаев, А.Н. Акишев, В.А. Бахтин, С.Л. Бабаскин
ПРОБЛЕМЫ ВНЕДРЕНИЯ СХЕМ ВСКРЫТИЯ ГЛУБОКИХ ГОРИЗОНТОВ АЛМАЗОРУДНЫХ КАРЬЕРОВ ТРАССАМИ КРУТОГО УКЛОНА
Одной из ярко выраженных тенденций текущего столетия при разработке алмазорудных месторождений Якутии явилось достижение практически предельных глубин разработки крупнейших кимберлитовых трубок открытым способом.
Наряду с уникальной ценностью алмазов, алмазорудные месторождения характеризуются особыми по сложности разработки условиями залегания. Причем на наиболее крупных месторождениях алмазов (трубки "Интернациональная", "Мир", "Удачная", "Ай-хал", "Юбилейная", "Нюрбинская", "Ботуобинская") горногеологические условия дополнительно осложнены горнотехническими факторами - наличием большого по глубине карьера с малыми размерами в плане и крутыми откосами бортов.
Подавляющий объем добычи алмазов в ближайшие десятилетия намечается по-прежнему от разработки открытым способом алмазорудных месторождений. В настоящее время только в Западной Якутии в одновременной разработке находится шесть карьеров с производительностью от 1,5 до 11,5 млн. т в год и глубиной отработки от 450 до 650 м. В ближайшее время на пяти действующих карьерах планируется провести реконструкцию для увеличения глубины до предельно возможных значений (порядка 560-720 метров). В перспективе также предполагается вовлечь в открытую отработку ряд новых месторождений с глубиной отработки от 450 до 600 м.
К 2010 г. средневзвешенная глубина открытых горных работ на карьерах компании достигнет 273 м [1]. Соответственно по отрабатываемым карьерам рабочая зона переместится на более глубокие горизонты, ее высота составит 75 м, а текущий коэффициент вскрыши увеличится до 3,88 м3/т. В этот период впервые в услови-
268
ях Западной Якутии открытые горные работы достигнут глубины 600 м и будут продолжены до глубины 650-720 м.
Завершение открытых горных работ на основных алмазоруд-ных месторождениях, имеющих существенное значение в формировании минерально-сырьевого баланса компании "АЛРОСА", и необходимость перехода на некоторых из них на подземный способ добычи в сложных геотехнологических условиях севера обуславливает необходимость индивидуального подхода к стратегии и технологии освоения каждой из выше перечисленных трубок.
Исходя их вышесказанного АК "АЛРОСА" еще с 1997 года были инициированы масштабные исследования по поиску новых решений по отработке глубоких алмазорудных карьеров. В ходе исследований было установлено [2, 3], что предельная глубина открытых горных работ для крупных кимберлитовых карьеров может достигать 850 м. Однако освоение таких глубин открытым способом технически трудноосуществимо, так как требует увеличения имеющихся горно-транспортных мощностей более чем в 2 раза с перерывом в добыче руды на срок от 8 до 12 лет.
В этих условиях целесообразно использование потенциала открытого способа разработки для проведения углубочных работ ниже проектного дна карьера с минимально возможным разносом его бортов путем использования специальной технологии и горного оборудования.
На основе анализа опыта работы отечественных и зарубежных алмазорудных карьеров и проблем, возникающих при их эксплуатации было доказано, что во многих случаях целесообразно отрабатывать карьер этапами. При этом выделяется несколько промежуточных контуров, на границе которых уступы отстраиваются как на предельном контуре. Поэтапная разработка месторождения позволяет в течение всего периода эксплуатации месторождения изучать свойства пород, осмысливать их поведение в бортах карьера и на основании этого совершенствовать параметры борта.
Определена следующая идеология обоснования профиля борта на предельном контуре:
- Параметры борта в начальный период освоения месторождения определяются на основании физико-механических характеристик пород, полученных испытанием образцов, представленных в керне разведочных скважин, и опыта эксплуатации других карьеров Якутии. На этом этапе нет необходимости оптимизи-
269
ровать контур борта, необходимо только, чтобы он не был излишне пологим.
- При ведении работ в пределах каждого промежуточного контура уточняются свойства пород по образцам, отобранным из борта карьера и полученным при доразведке место-рождения, проводятся натурные испытания в бортах карьера, детально изучается трещиноватость пород, анализируется их поведение в откосах уступов. - К началу формирования профиля борта, соответствующего предельной глубине карьера, объем знаний о литологии пород, их свойствах, трещиноватости и ее влиянии на прочность массива достаточен для корректировки начального проекта.
Обоснованный расчетами выпуклый профиль борта для предварительного анализа охарактеризован эквивалентным углом наклона, т. е. углом наклона такого плоского борта, который приводит к такой же вскрыше, что и выпуклый борт. Для алмазных карьеров эквивалентный угол достигает 50-55°. Практическая реализация такого профиля требует уменьшения заложения откоса. Это может быть достигнуто применением спиральных съездов крутого уклона, использованием наклонных предохранительных берм, отстройкой высоких и крутых уступов, уменьшением ширины всех берм до минимально допустимой величины.
При существующей технологии отработки алмазорудных карьеров невозможно достичь максимальных значений углов откоса борта карьера. Вызвано это, в основном, невозможностью постановки сверхвысоких уступов в нижней части карьеров из-за размещения на борту спиральной трассы транспортных съездов с продольными уклонами 80-100 промилле, что приводит к выпола-живанию нерабочего борта карьера.
Разработан способ [4], обеспечивающий резкое уменьшение объемов вскрышных работ в контуре карьеров. Сущность способа заключается в том, что отстройку нерабочего борта ведут с промежуточной глубины вписывая технологический
270
в
Расчетная схема борта карьера
борт в равноустойчивый профиль имеющий обоснованный коэффициент запаса, выше проектного дна карьера на высоту устойчивого участка борта или уступа под технологическим углом погашения и смещенного на этой высоте от контакта рудного тела в горизонтальном положении на величину определяемую перспективными технологическими парамет-
рами борта в нижней части (рисунок).
Нижняя, наиболее крутая часть борта на указанную высоту вначале отрабатывается с принятой для верхней части карьера технологией с оставлением рудных целиков под углом, обеспечивающим надежность борта в целом не ниже нормативной. После достижения проектного дна карьера в промежуточных контурах рудные целики, объем которых относительно невелик и не превышает 10-15 % от запасов руды в нижней зоне, отрабатываются по специальной технологии с применением гусеничных самосвалов с продольным уклоном транспортных съездов 300 промилле, что позволяет отстраивать борт под предельно возможным углом погашения с отработкой всех оставленных запасов руды. Надежность борта к моменту его погашения будет ниже оптимальной на 10-15 %, что объясняется меньшим экономическим риском, поскольку объем оставленной руды в целиках невелик.
В основу способа положена задача максимально возможного использования прочностных свойств пород за счет отработки карьера в контурах максимально приближенных к равноустойчивому профилю, соответствующему меньшей, чем проектная, глубине карьера. С последующей поэтапной доработкой карьера до проектной глубины с обоснованным увеличением риска на последнем этапе доработки.
271
Поставленная задача решена тем, что при известной конечной глубине и соответствующему оптимальному профилю борта карьер отстраивают до меньшей на величину ЛЬр чем проектная глубины. Величину АЬр определяют по формуле: АЬР = 2к/(уе^(45-р/2),
где К - сцепление массива, т/м2; у - объемный вес, т/м3; р - угол внутреннего трения, градус; X - коэффициент структурного ослабления.
Для достижения максимальной экономии геометрического пространства нижнюю часть карьера отрабатывают с применением отсыпного съезда.-
Так как для крутопадающих месторождений р < у, то дно карьера на высоте ЛЬр отстраивается на удалении от контура рудного тела на расстоянии, определяемом по формуле: Л1 =АЬр(е1еа- е^ф),
где а - угол, определяемый путем перспективного проектирования технологии доработки рудных целиков с применением высоки уступов и крутых съездов, градус; ф - угол падения рудного тела, градус.
Верхняя часть борта (АВ) до глубины Н-ЛЬр отстраивается с максимальным приближением технологического борта к равноус-тойчивому профилю, имеющему обоснованный коэффициент запаса для данной высоты не ниже оптимальной.
Нижняя часть борта (СА) отстраивается с таким расчетом, чтобы надежность борта САВ была не ниже оптимальной.
Далее по специальной технологии дорабатывается рудный целик с формированием конечного борта БАВ, имеющего меньшую на 15-20 % надежность, что обосновывается относительно невысоким экономическим ущербом от возможной потери руды вследствие нарушения устойчивости борта.
По существу данный способ позволяет определять перспективные параметры углубочной зоны на алмазорудных карьерах.
Согласно проведенным исследованиям для алмазорудных карьеров высота углубочной зоны для месторождений с площадью рудного тела на уровне дна карьер меньше 3 га составляет от 60 до 90 м, для крупных месторождений с площадью рудного тела на уровне дна карьера до 10-12 га высота углубочной зоны может достигать 120-200 м.
272
Внедрение указанного способа в практику проектирования кимберлитовых карьеров привело к его дальнейшему развитию. Данный способ [5, 6] был доработан путем увеличения продольного уклона транспортных съездов до 300-360 промилле и устройством перегрузочной площадки. При этом в нижней зоне по крутым съездам предполагается эксплуатировать гусеничные самосвалы, которые доставляют горную массу до перегрузочной площадки, где она перегружается в колесные автосамосвалы и доставляется на поверхность.
Отстройка нижнего уступа карьера по контакту рудного тела и сооружение временного съезда в границах рудного тела позволяет исключить разнос борта и уменьшить объем вскрыши.
Транспортировка руды и вскрышных пород до перегрузочной площадки гусеничным транспортом позволяет работать на ограниченных по размеру рабочих площадках, осуществлять транспортировку руды и вскрышных пород по съездам с увеличенным продольным уклоном.
Сооружение капитального отсыпного съезда позволяет отработать рудные целики под временным съездом, т.е. обеспечивает полноту выемки полезного ископаемого, что повышает эффективность предлагаемого способа.
Учитывая перспективность способа углубочных работ АК "АЛРОСА" были инициированы поисковые работы по отработке нижней части кимберлитовых карьеров с применением углубочных комплексов включающих использование специальных транспортных средств обеспечивающих возможность их безопасной эксплуатации на крутых уклонах, позволяющих резко сократить объемы вскрышных работ в контуре карьера и вовлечь в отработку дополнительные объемы руды.
Проведенный анализ всех известных транспортных средств (табл. 1) показал, что в условиях алмазорудных карьеров наиболее технически приемлемым является применение гусеничных самосвалов. Зарубежными фирмами изготавливается достаточно широкий ряд моделей гусеничных самосвалов грузоподъемностью по данным производителей до 15 т.
Одной из проблем внедрения гусеничных самосвалов на карьерах Компании является отсутствие опыта эксплуатации, нормативно-методической базы и СНиПов по безопасной эксплуатации данного вида транспорта на крутых уклонах.
273
Таблица 1
Уклоны транспортных съездов и области применения различных видов транспортной техники
Уклоны транспортных съездов Применяемое оборудование
%0 % Градусы
360 36 19 ° 8'
350 35 19 ° 3'
340 34 18 ° 8'
330 33 18 ° 3'
320 32 17 ° 7' и и о о
310 31 17 °2'
300 30 16 ° 7' ^ св
290 29 16 °2' и
280 28 15 °6' §
270 27 15 Т (и о
260 26 14 °6'
250 25 14° и
240 24 13 ° 5'
230 23 12 ° 9'
220 22 12 °4'
210 21 11 ° 9'
200 20 11 ° 3' 1П 1 о Р4
190 19 10 ° 8' л
180 18 10 °2' о Н И о ю
170 17 9 ° 6' я а о Й X 6
160 16 9 ° 1' И о 2 « о л ^
150 15 8 ° 5'
140 14 8 ° Й (и л о
130 13 7 ° 4' и й !? о «
120 12 6 ° 8' 1 о к
110 11 6 ° 3' 3 1 Л (и 1 о и л
100 10 5 ° 7' 1 Св ^ ^ ж о к Й & о И
90 9 5 ° 1' о О « тГ 3 « 3 ° « ^ и § о О
80 8 4° 6' 4 Й я
70 7 4 ° [2 и < § Ъ и о и л о «
Очевидно, что компания АК "АЛРОСА" одной из первых в России подошла вплотную к вопросу внедрения на алмазорудных карьерах гусеничных самосвалов и вынуждена в пионерном порядке решать проблемы их безопасной эксплуатации и разработки нормативно- методических материалов и инструкций.
274
Таблица 2
Перспективное использование гусеничных самосвалов на карьерах АК "АЛРОСА "
Наименование карьера Период использования гусеничных самосвалов, годы Потребность, шт./ Грузоподъемность, т Сокращение вскрыши, млн. м3
Карьер "Удачный" 2010-2015 8-10/20-30 т 25,0
Карьер "Комсомольский" 2019-2020 4-6/15-20 т 17,0
Карьер "Зарница" 2025-2030 6-8/40-50 т 30,0
Карьер "Юбилейный" 2019-2030 15-20/40-60т 150,0
Карьер "Нюрбинский" 2025-2030 6-8/15-20 т 30,0
Карьер "Ботуобинский" 2035-2040 6-8/15-20 т 30,0
Карьер "Нюрбинский" (россыпь) 2020-2025 6-8/15-20 т 30,0
Карьеры Верхне-Мунского рудного поля 2025-2030 6-8/15-20 т 60,0
Карьеры трубок "Дальняя" и "Краснопресненская" 2025-2030 6-8/15-20 т 60,0
Карьеры Ломоносовского м-я (Архангельская обл.) 2025-2030 6-8/15-20 т 60,0
Кимберлитовые карьеры в республике Ангола 2025-2030 6-8/15-20 т 100,0
("Катока", Камачия", "Камажику" и др.)
Итого: 75-100 шт. 592,0
ы
—I
■м
Технология горных работ с использованием гусеничных самосвалов планируется в ближайшее время к внедрению на карьерах "Комсомольский", "Удачный" и "Юбилейный", а в перспективе при доработке всех отрабатываемых и проектируемых алмазорудных карьеров (табл. 2).
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Акишев А.Н., Бахтин В.А., Бабаскин С.Л. Управление развитием рабочей зоны кимберлитовых карьеров/ М.: Горная промышленность -№1-2003 г.
2. Akishev A.N., Bachtin V.A., Aleksandrov I.N. New bench construction/ Russian Mining- № 5-2003.
3. Akishev A.N., Bachtin V.A., Bondarenko E.V. CompCleting stage of the development of deep kimberlite open pits in Yakutia. Technological advance Russian Mining № 6-2003.
4. Патент №2180041 Е21С 41/46 А.Н. Акишев и др. "Способ открытой разработки крутопадающих кимберлитовых месторождений".
5. Патент №2294434 Е21С 41/26 А.Н. Акишев и др. "Способ открытой разработки крутопадающих месторождений"
6. Заявка № 2006124321/03 (026373) от 06.07.2006 г. Решение о выдаче пат. от 09.06.2007 г. МПК Е21С41/26 (2006.01) А.Н. Акишев и др. "Способ реконструкции карьера с двумя близкорасположенными рудными телами", n^-i
— Коротко об авторах
Чаадаев А. С. — к.т.н., Акишев А.Н. — к.т.н., Бахтин В.А. — к.т.н., Бабаскин С.Л. —
Институт "Якутнипроалмаз".
Д_
- © Г.В. Шубин, Д.И. Кирюшин,
276
