CC BY
229
© С.А. Ильин, Д.В. Пастихин, 2013
С.А. Ильин, Д.В. Пастихин
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ОТКРЫТОГО СПОСОБА РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
На основе обобщения и анализа накопленной информации, дана оценка состояния перспектив развития открытого способа разработки месторождений.
Ключевые слова: открытый способ разработки, подземный способ добычи, рекультивация, карьеры.
Невозможно представить развитие теории открытых горных работ в отрыве от практики. Однако на сегодняшний день существует много мнений о перспективах развития открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых, подчас диаметрально противоположных.
В обращении к читателям «Горного журнала» по поводу выпуска тематического номера по открытым горным работам (№ 11 за 2009 г.) академик К.Н. Трубецкой подчеркнул, что «открытый способ разработки месторождений станет генеральным направлением развития горнодобывающей промышленности России в наступившем веке...».
С другой стороны, некоторые авторитетные ученые утверждают, что в XXI в. развитие горного дела пойдет по пути отказа от открытых работ вообще. Мотивировка такого мнения — уход добычи полезных ископаемых под землю поможет сохранить поверхность, источники пресной воды, воздушный бассейн от негативного воздействия открытого способа на экосистему района разработки.
Авторы доклада попытались разобраться в сути таких взаимоисключающих мнений, и на основе обобщения и анализа накопленной информации дать оценку состояния и показать перспективы развития открытого способа разработки месторождений.
Поскольку на сегодняшний день альтернативой открытому способу является подземный способ добычи, попытаемся про-
вести их оценку по трем группам факторов их характеризующих: социально-экономических, производственных и экологических.
Неоспоримым является то, что открытая разработка месторождений более безопасна, чем подземная: достаточно просмотреть статистику траурных дней по случаю аварий с человеческими жертвами в угольных шахтах и подземных рудниках.
Открытые горные работы менее трудоемки: производительность труда при открытом способе в среднем примерно в 2,5 раза выше, чем при подземном, равно как и производственная мощность горного предприятия.
Экономическая уязвимость подземного способа особенно сильно сказывается в условиях общемирового финансового кризиса, когда падают цены и спрос на минеральную продукцию. Именно это обстоятельство вынудило ряд горных предприятий в 2008—2009 гг. отказаться от перехода к подземному способу разработки месторождений, и вернуться, за счет доразведки доступных запасов и освоения резервных и мелких рудных участков, к открытому способу. Например, на Олене-горском ГОКе прирезка запасов руды в 50 млн т к полям действующих карьеров позволила поддержать сырьевую базу предприятия на период нестабильности. Откладывая сроки полного перехода на подземную добычу руды, руководство ОАО «Апатит» поручило институту «Гипроруда» обосновать новые контуры открытой разработки месторождений Коашва и Плато Расвумчорр с тем, чтобы продлить сроки эксплуатации карьеров ориентировочно на 20—30 лет.
Говоря о несомненных социально-экономических преимуществах открытого способа, нельзя не отметить существенный его недостаток — изъятие земель, в том числе плодородных, для производства горных работ. К сожалению, данный недостаток, невозможно исключить полностью, и ученым и совместно с технологами еще предстоит немало сделать, что бы минимизировать этот негативный фактор, пока все изъятые земли не будут возвращены в хозяйственный оборот.
К производственным факторам обычно относят границы применения способа разработки, технику и технологию ведения горных работ, условия деятельности персонала, производ-
ственную мощность и сроки службы горных предприятий, особенности перехода от открытого способа разработки к подземному.
Открытые горные работы имеют, по сути, более обширную область применения, чем подземные, но она, конечно, не является всеобъемлющей: есть для нее ограничения геологического, климатического и экономико-производственного характера.
Издавна сложилось мнение, что карьерам подвластна глубина не более 300—400 м, ниже чего начинается безраздельное «царство» подземного способа. В настоящее время благодаря научно-техническому прогрессу нижняя граница открытого способа весьма существенно опустилась. Многие крупные карьеры уже достигли вышеуказанной отметки и продолжают углубляться. Проектная глубина карьеров на некоторых предприятиях впечатляет: на Стойленском ГОКе — 600—700 м; Ковдорском ГОКе — 850 м; Навоийском ГМК («Мурунтау») — 950 м. Та же тенденция характерна и для крупных карьеров США: проектная глубина карьера «Бингэм» — 946 м, карьера «Клаймакс» — 1040 м.
Карьеры пока далеко не продвинулись в субвысокие широты с арктическим климатом.. Вынуждены отказываться от открытого способа при дефиците свободных площадей, занятости земной поверхности жилыми строениями и объектами ин-фраструктурыи т.п.
В сопоставимых же условиях карьерное оборудование по своим габаритам, мощности и производительности значительно превосходит подземное. Рабочие параметры карьерных буровых станков, экскаваторов, транспортных средств не имеют геометрических пределов наращивания, в то время как параметры буровых, добычных и доставочных машин шахт и рудников ограничены размерами подземных горных выработок.
Технология открытых горных работ по сравнению с технологией подземной добычи более универсальна. Если первая мало зависит от вида добываемого минерального сырья, варьируя лишь в деталях, то вторая при добыче угля — одна, при разработке рудных месторождений — совершенно другая. Коренные технологические различия в видах подземной добычи находят отражение в научной деятельности.
Санитарно-гигиенические условия работы линейного персонала карьеров, не имеющего «крыши над головой» и действующего на открытом воздухе, в целом более благоприятны, чем в подземных условиях, особенно в отношении пыли и газа: силикоз и антракоз считаются профессиональными заболеваниями горняков, работающих именно под землей. Осложнения в этом плане на карьерах возникают лишь при отработке глубоких горизонтов, когда нарушается естественный воздухообмен. Но и здесь применяемыми мерами (использование индивидуальных средств защиты трудящимися забойной группы, нейтрализация выхлопных газов самосвалов, переход карьера на циклично-поточную технологию и др.) удается минимизировать влияние этого фактора.
Экологические факторы составляют основу аргументации противников открытого способа разработки, апеллирующих к общественному мнению. Действительно, карьеры сами по себе воздействуют на окружающую среду гораздо сильнее, чем шахты. К наиболее существенным недостаткам, свойственным этому способу, относят нарушение земной поверхности; пы-легазовые выбросы в атмосферу; загрязнение поверхностных вод и почв, сопровождаемое нарушением водного баланса околокарьерной местности. Сильно сказывается также зависимость открытых горных работ от климатических и геомеханических факторов. Менее масштабны сейсмические и шумовые воздействия карьеров на окружающую среду. Рассмотрим, что уже удалось сделать, и в каких направлениях необходимо сосредоточить усилия ученных и производственников, чтобы минимизировать перечисленные недостатки открытых горных работ.
Все меры и технические решения, предпринимаемые для минимизации ущерба от «земленарушающего» недостатка открытого способа, можно сгруппировать по следующим направлениям: уменьшение землеемкости ОГР; восстановление нарушенных земель; создание новых пространственных форм с высокой хозяйственной, эстетической и рекреационной ценностью.
По площади нарушаемых земель карьер (как выемка) вместе с отвалами вскрышных пород занимает второе место после хвостохранилищ. Например, на горных предприятиях АК «АЛ
РОСА» на долю рудных карьеров и породных отвалов в сумме приходится 28 % нарушаемых земель, а хвостохранилищ — 36 % (еще 16 % площади занимают гидротехнические сооружения, 14 % — прииски, 4 % — карьеры стройматериалов, 2 % — другие объекты) [1].
Уменьшение землеемкости открытых разработок достигается несколькими путями:
• сокращением объема размещаемых на поверхности отходов горного производства (вскрышных пород, некондиционных руд) в рамках комплексного использования минерального сырья и более полного извлечения полезных компонентов. Особенно развито на отечественных и зарубежных карьерах производство строительных материалов. Получаемая продукция отпускается сторонним организациям с существенным экономическим эффектом. Так, щебень из высокопрочных изверженных пород, изготовляемый на комбинате «Ураласбест», пользуется значительным спросом и вывозится даже за пределы региона на расстояние в тысячу километров и более. Аналогичные успехи в утилизации вскрышных пород достигнуты на многих предприятиях (Лебединский, Михайловский, Оленегор-ский, Полтавский, Орджоникидзевский ГОКи и др.).;
• уменьшением площади карьера за счет увеличения рабочего и нерабочего углов борта карьера;
• уменьшением площади отвалообразования за счет более компактного размещения вскрышных пород и увеличения высоты отвала;
• размещением вскрышных пород в выработанной части месторождения и в остаточных карьерных выемках. Например, в карьере «Медвежий Ручей» Норильского ГМК одна часть вскрышных пород вывозиться в локальный внутренний отвал, а другая — в выработанное пространство давно закрытого карьера «Угольный Ручей». Карьер «Кальмакыр» Алмалыкского ГМК (Узбекистан) долгое время размещал свои вскрышные породы в соседнем отработанном карьере «Кургашинкан». Применяет складирование вскрышных пород в ранее отработанной части месторождения карьер «Сары-Чеку» того же ГМК. Центральный ГОК (Украина) складирует вскрышные породы в выработанном пространстве карьера № 1 и т. д.
Еще больше сокращается площадь земель, изымаемых карьером, при размещении вскрышных пород в его выработанном пространстве с частичным или даже полным отказом от внешнего отвалообразования.
Уже давно специалисты в области открытых работ работают над решением проблемы внутреннего отвалообразования при разработке наклонных и крутопадающих месторождений. Основополагающую в этом плане идею впервые выдвинул профессор Е.Ф. Шешко [2], предложив расположить фронт горных работ вкрест простирания крутопадающих угольных пластов Кузбасса; это позволяло размещать вскрышные породы в выработанном пространстве карьера вскоре после начала разработки месторождения. И хотя эта идея получила дальнейшее развитие в трудах последующих исследователей и доказала свою эффективность на практике, в этой области предстоит еще многое сделать.
Восстановление (рекультивация) нарушенных земель предусматривает возврат нарушенных земель в хозяйственный оборот в состоянии, близком к исходному.
Уменьшение землеемкости открытых горных работ и восстановление нарушенных земель до их прежнего состояния (так называемая зеркальная рекультивация) значительно снижают негативное влияние открытых горных работ на сохранность земной поверхности, но все же не направлены на кардинальное позитивно-экологическое ее преобразование. А именно в этом кроется мощный потенциал открытого способа. Он состоит в целенаправленном воздействии на земную поверхность для перевода ее в более ценные формы с позиций хозяйственного использования, эстетики и рекреации.
Все большее число горных предприятий идет именно по этому пути. Так, компания «Кузбассразрезуголь» еще на стадии проектирования нового карьера предусматривает использовать вскрышные породы для формирования техногенного рельефа с созданием на рекультивированных отвалах лесопарковых зон, мест для проведения кроссов и автогонок, горнолыжных трасс и т. д. [3].
Отдельно стоит сказать об эстетизации открытых горных работ в соответствии с принципами геоэстетики. Она предусматривает придание всему карьеру, элементам горных выра-
боток и отвалов, оборудованию, промышленным зданиям и сооружениям вида, отвечающего общепризнанным эстетическим вкусам человека.
Подводя итог всему сказанному по «земельному вопросу», отметим, что современные карьеры располагают богатым арсеналом средств, позволяющих не только минимизировать ущерб, наносимый земной поверхности, но и получать значительную прибыль от создания из вскрышных пород на базе карьерных выработок и отвалов ценных форм рельефа с многообразными направлениями их использования. Однако следует отметить, что в этом направлении отечественным ученым предстоит еще не мало потрудиться, особенно это касается эстетизации открытых горных работ.
Как известно, основными источниками загрязнения атмосферы на карьерах являются массовые взрывы, дизельная техника, пылящие забои, автодороги и поверхности отвалов. До недавнего времени серьезной проблемой в деле защиты атмосферы были взрывные работы, когда взрыв 600-1000 т взрывчатых веществ сопровождался образованием мощного пылегазового облака, распространяющегося на расстояние 10—12 км. Ситуация кардинально улучшилась при переходе к эмульсионным взрывчатым веществам. Замеры содержания оксидов углерода и азота в пылегазовом облаке, проведенные на Ковдорском ГОКе, показали, что оно при использовании эмульсионных взрывчатых веществ почти в 9 раз меньше, чем при взрывании штатных взрывчатых веществ заводского изготовления. Для снижения выбросов в атмосферу на некоторых карьерах практикуется гидрозабойка взрывных скважин с применением поверхностно-активных веществ.
Трудностей с подавлением пыли в забоях и на дорогах давно не возникает. Принятый в отечественной и мировой практике их регулярный полив, усиливающийся в засушливый период года, снимает все вопросы. Поливочная жидкость, как правило, вода; иногда пылящие поверхности поливают растворами вяжущих веществ (как на карьерах комбината «Апатит», где имеется узел приготовления таких растворов). Аналогичные меры практикуют и на отвалах.
Что касается выхлопов отработавших газов дизельных двигателей мобильной техники, то экологический эффект здесь достигается тщательной регулировкой топливной аппаратуры и установкой на машинах нейтрализаторов газов. С приходом на карьеры импортных самосвалов, бульдозеров и погрузчиков увеличивается парк машин, оборудованных по газовым евро-стандартам. Уменьшению загазованности внутрикарьерной атмосферы способствует перевод двигателей горнотранспортного оборудования на газодизельный режим работы. Так, испытания самосвала САТ-785В на карьере «Мурунтау» показало снижение выбросов на 30—60 % (в зависимости от условий эксплуатации) [4]. Еще большую отдачу в этом плане сулит сужение зоны использования дизельных самосвалов с оставлением за ними только функций сборочного транспорта при вводе на глубокие горизонты крутонаклонных конвейеров с передвижными дробильными агрегатами.
Наконец, пришло осознание того, что искусственное проветривание глубоких карьеров с объемом воздушного пространства в сотни миллионов кубических метров нереально и экономически несостоятельно [4]. И сейчас стали ориентироваться на создание индивидуальных и коллективных средств защиты персонала при работе в загрязненной атмосфере карьера.
Предприятия открытой добычи накопили большой опыт создания и эксплуатации очистных сооружений. В результате сброс очищенных карьерных вод, как правило, не превышает лимитов, утвержденных территориальными органами Ростех-надзора.
В проектах новых карьеров водоохранные вопросы решаются комплексно. Так, в проекте строительства двух карьеров по добыче медных и медно-цинковых руд на Северном Урале предусмотрено создание объединенных очистных сооружений, аккумулирующих дренажные, ливневые и подот-вальные воды. Во избежание загрязнения почв под отвалами и днищами прудов очистных сооружений устраиваются про-тивофильтрационные экраны. После очистки воды до допустимого уровня загрязняющих веществ она направляется в местную речную сеть [5].
Сам факт нахождения карьера под открытым небом предопределяет зависимость его работы от климатических и погодных условий. Если вопросы защиты персонала от воздействия низких температур практически решены (отапливаемые кабины машин; утепленная водонепроницаемая спецодежда; налаженная система обогрева людей, работающих на открытом воздухе; горячее питание и др.), то все остальные объекты карьера защищены от мороза и непогоды в меньшей степени.
Не так давно самым уязвимым звеном при работе в сильные морозы считалось погрузочно-транспортное оборудование, в первую очередь из-за хладоломкости металлических конструкций и отказов в маслосистеме. Сейчас связанные с этим трудности фактически преодолены. Так, на угольном разрезе «Нерюнгринский» при температуре ниже -40 °С успешно эксплуатируются гидравлические экскаваторы фирмы Коша1эи с ковшами 36—42 м3. На карьерах АК «АЛРОСА» в сотрудничестве с компанией Са1егрШег была осуществлена модернизация самосвалов САТ-785, в результате чего они стали способны работать при температуре -55 °С, а пробег до списания увеличился почти вдвое (с 350 до 650 тыс. км) [6].
В качестве примера успешной работы карьеров в экстремальных климатических условиях следует отметить самый северный в России карьер (прииск) Анабарского ГОКа. Среднегодовая температура в районе предприятия составляет -14 °С, а средняя температура самых холодных месяцев (декабрь — январь) равна -35 °С. Продолжительность полярной ночи около 65 сут. Горные работы начались здесь еще в 1989 г. Отработка алмазоносной россыпи ведется в 2 этапа: зимой — с буровзрывным рыхлением продуктивной толщи, летом — при естественном оттаивании грунтов с предварительным их рыхлением бульдозерами-рыхлителями. Предусмотрена полная рекультивация нарушенных земель с последующей передачей властям Анабарского улуса [7].
Примером благотворного сотрудничества ученых и производственников является проблема сейсмического и шумового воздействие открытых горных работ. В настоящее время этот пункт можно исключить из «визитной карточки» открытого способа. Сейсмическое воздействие массовых взрывов на
околокарьерные здания и сооружения снижено до несущественного уровня благодаря переходу на короткозамедленное взрывание. Применение неэлектрических систем инициирования с различными интервалами замедления позволило отработать эффективные схемы управления массовыми взрывами и обеспечить сейсмобезопасность промышленных и культурно-бытовых объектов даже при увеличении количества единоразово взрываемых ВВ.
Остановимся подробнее на существующих тенденциях в совершенствовании техники и технологии открытых горных работ.
Общей тенденцией развития карьерной техники является наращивание выпуска машин большой единичной мощности.
В настоящее время ведущие позиции в выпуске буровых станков занимают зарубежные компании: «Атлас Копко», «Сандвик» и др. К сожалению, отечественные станки шарошечного бурения типа СБШ пока уступают зарубежным аналогам по ряду технико-экономических показателей [8]. Технический прогресс в области буровой техники идет по пути увеличения мощности привода, автоматизации управления работой станка, обеспечения высокой производительности и надежности конструкции, универсализма в использовании, автономности питания.
Выемочно-погрузочное оборудование на карьерах представлено канатными и гидравлическими экскаваторами, драглайнами, роторными и цепными многочерпаковыми экскаваторами, фрезерными комбайнами, колесными погрузчиками и гусеничными бульдозерами. Среди них наибольшее распространение получили электрические канатные экскаваторы (мехлопаты). Лидирующие позиции по поставкам на карьеры всего мира экскаваторов-мехлопат большой единичной мощности занимают компании «Бюсайрус» и «Паулинг энд Харнишфегер» (Р&Н). В первой базовой моделью является экскаватор ВЕ-495 (ковш вместимостью до 55 м3), во второй — Р&Н-4100 (43 м3).
Усилиями специалистов компании «Бюсайрус» коэффициент готовности экскаваторов этой компании превышает 95 %. Компания разработала также систему так называемого непре-
рывного доступа (Access Direct), которая отражает совершенно новый подход к диагностике машины. Система обеспечивает дистанционный доступ к электрической части экскаватора для инженеров компании из любой точки мира. Она позволяет инженеру не только посмотреть, что происходит на экскаваторе, чтобы выполнить диагностику, но во многих случаях и осуществить регулировку или ремонт, не приезжая к месту расположения машины [9].
В компании Р&Н на основе базовой модели Р&Н-4100 создана модификация Р&Н-4100ХРВ (с ковшом 73 м3 — самая крупная машина из работающих ныне мехлопат).
На карьерах России преобладающую долю экскаваторного парка составляют машины с ковшами 8—10 м3. Медленное переоснащение карьеров современной выемочной техникой является одной из основных причин замедления роста производительности труда на открытых работах; так, на угольных разрезах она за последние 15 лет (с 1992 по 2007 г.) увеличилась всего лишь на 14,5 %, в то время как при подземной добыче угля возросла почти в 3 раза (хотя по абсолютным цифрам и отстает в 2,3 раза) [10].
В 1980—1990-х годах на отечественные карьеры стали поступать импортные экскаваторы-мехлопаты 201М (ковш 16 м3), 204М (24 м3), 301М (40 м3), Р&Н-2300 (21 м3). С 2005 г. этот процесс интенсифицировался: на угольные разрезы Кузбасса были поставлены экскаваторы Р&Н-2800ХРВ с ковшами 33—35 м3 (Бачатский, Кедровский, Сибиргинский, Междуре-ченский разрезы) и Р&Н-4100ХРС с ковшом 56 м3 (Талдин-ский разрез). В 2009 г. компания «СУЭК» закупила два экскаватора BE-495HD с ковшом 41 м3. В стремлении заменить дорогостоящую импортную технику более дешевой отечественной российская компания «ИЗ-КАРТЭКС» разработала линейку новых экскаваторов с ковшами 18 м3 (ЭКГ-20), 32 м3 (ЭКГ-30) и 50 м3 (ЭКГ-50). Они в сравнении с зарубежными аналогами требуют меньших капитальных и эксплуатационных затрат. Новые экскаваторы этой линейки уже стали поступать на карьеры России [11].
Альтернативу мехлопатам при выемке крепких пород составляют гидравлические экскаваторы. Главное их преимуще-
ство перед мехлопатами — мобильность и многофункциональность в использовании. Они более пригодны для селективной выемки и обслуживания нескольких разносортных забоев в целях усреднения руды, но имеют существенный недостаток — высокие эксплуатационные расходы.
Гидравлические экскаваторы выпускает российская корпорация «Объединенные машиностроительные заводы» (ОМЗ): прямые лопаты в диапазоне вместимости ковшей от 5,5 до 20—22 м3 и обратные — от 4—9 до 14—20 м3 [10]. За рубежом такую технику производят многие компании: «Катерпил-лар», «Комацу», «Либхерр», «Ориенштайн унд Коппель» (О&К) и др. Конструкция машин продолжает совершенствоваться. Так, компания «Либхерр» в 2008 г. создала самый крупный для того времени гидравлический экскаватор И-9800 (масса — 780 т) с ковшом 38—42 м3.
Для безвзрывной послойной выемки полускальных пород (в основном, полезных ископаемых) стали применяться фрезерные комбайны, выпускаемые многими зарубежными фирмами. На карьерах России наибольшее применение нашли комбайны фирмы «Виртген» (Германия), в том числе комбайн КБМ-2000, разработанный специально для раздельной выемки сложноструктурных угольных пластов Талдинского разреза в Кузбассе [10].
Основными видами карьерного транспорта, определяющими техническую оснащенность и экономику открытых разработок, являются железнодорожный, автомобильный и конвейерный, которые используют как в отдельности, так и в комбинации.
Исторически первым на отечественных карьерах стал применяться железнодорожный транспорт. Главное его достоинство — возможность освоения грузооборотов в десятки миллионов тонн в год. Основные недостатки — потребность в значительном внутрикарьерном пространстве для размещения в нем железнодорожной сети и большая трудоемкость переукладки забойных путей вслед за подвиганием фронта работ. Первый недостаток стал особенно ощутим с возрастанием глубины карьеров и, соответственно, с сужением рабочей зоны: нужного пространства для вписывания в него железнодо-
рожных коммуникаций с их малыми уклонами стало не хватать. Второй недостаток вступил в противоречие с общемировой тенденцией на интенсификацию горных работ. В итоге карьерный железнодорожный транспорт все чаще выполняет только функции верхнего звена в схеме комбинированного транспорта при движении составов только по стационарным путям. Там же, где железнодорожный транспорт все еще используется для погрузки в забоях, малотоннажный подвижной состав ограничивает применение высокопроизводительных экскаваторов с ковшами вместимостью более 12—15 м3. Рост производительности выемочно-погрузочного оборудования сдерживает и чрезмерно большая длительность обменных операций [12]. Весьма сомнительной выглядит и перспектива использования железнодорожного транспорта при освоении новых минеральных объектов, особенно в отдаленных районах, не имеющих доступа к магистральным линиям электропередачи.
Широкому распространению самосвалов в качестве основного вида транспортных средств на карьерах, способствовали автономность привода, высокая маневренность, небольшие затраты на переустройство забойных автодорог и растущая грузоподъемность. Что касается последнего, то завод «БелАЗ» выпускает большегрузные машины в 220 (БелАЗ-75306) и 320 т (БелАЗ-75600). Зарубежные компании поставляют на карьеры самосвалы грузоподъемностью 300 («Комацу-930 Е») и 340 т (САТ-797), предназначенные для загрузки экскаваторами с ковшами до 55—73 м3. Дальнейшие усилия машиностроительных компаний направлены на повышение надежности карьерных самосвалов, продление срока их службы, совершенствование системы технического обслуживания [12].
При всех своих многочисленных достоинствах автомобильный транспорт имеет существенные недостатки: высокую энергоемкость перевозок и поступление выхлопных газов во внутрикарьерную атмосферу. И если негативное влияние второго недостатка удается минимизировать использованием нейтрализаторов газов и тщательной регулировкой топливной аппаратуры, то первый уже объективно неустраним, и с ним
приходится считаться при оценке области применения этого вида транспорта. Поэтому с энергетической точки зрения желательно использование автомобильного транспорта не по всему маршруту, а только в качестве сборочного звена в комбинированной транспортной схеме. Именно в этом качестве технологические достоинства автомобильного транспорта становятся решающими, и он в стесненных условиях глубоких горизонтов карьера просто незаменим. В тех же случаях, когда автотранспорт используют по всему маршруту, его энергетическую эффективность можно значительно увеличить переходом на машины с двойным питанием (дизель-троллейвозы) и применением повышенных (10—12 %) уклонов автодорог. Расчетами установлено, что использование дизель-троллейвозов становится выгодным при объеме перевозок свыше 8— 10 млн т в год, длине электрифицированного участка трассы не менее 1,8—2 км и высоте подъема на этом участке более 100 м [13].
Положительный опыт использования дизель-троллейвозов на ряде крупных карьеров США и ЮАР доказывает перспективность этого направления развития карьерного транспорта. В настоящее время завод «БелАЗ» работает над созданием дизель-троллейвозов грузоподъемностью 136, 170, 220 и 320 т на базе самосвалов с электрической трансмиссией [14].
Что касается конвейерного транспорта научными исследованиями и практикой горного дела выработано единое мнение о наиболее перспективной транспортной схеме глубоких карьеров: крутонаклонный конвейерный тракт на борту карьера в комплексе с дробильными агрегатами и сборочным автомобильным транспортом в рамках циклично-поточной технологии (ЦПТ).
Пионером внедрения крутонаклонных конвейеров (КНК) на глубоких карьерах стран СНГ выступил Навоийский ГМК, Узбекистан. Сначала на карьере «Мурунтау» в 2007 г. был внедрен крутонаклонный межуступный перегружатель КНК-30, который стал работать в сочетании с дробильно-погрузочной установкой ДШЗ-1300/300. Затем в марте 2011 г. на борту карьера был смонтирован крутонаклонный конвейерный подъемник КНК-270 с высотой подъема горной массы 270 м. Его
использование позволяет продолжить разработку месторождения открытым способом до глубины 950—1000 м [15]. Возможность применения KHK рассматривается и на других глубоких карьерах.
Наряду с ориентацией на преимущественное использование крутонаклонных конвейеров специалисты предлагают и иные варианты транспортного доступа на глубокие горизонты: крутые автомобильные съезды, применение самосвалов с двойным питанием, машин высокой проходимости и др.
Мы не ставили перед собой задачу обобщить все технологические решения, принимаемые на карьерах в целях повышения эффективности горного производства, да это и невозможно сделать в рамках одного доклада. Тем более что решения по вскрытию и элементам системы разработки по каждому конкретному карьеру индивидуальны и определяются совокупностью сугубо местных факторов. Поэтому ограничимся только одним технологическим аспектом, связанным с работой глубоких карьеров.
При ведении открытых горных работ всегда возникает стремление проектировать карьер под возможно более крутыми углами нерабочего борта карьера, так как это позволяет значительно сократить объемы вскрышных пород в контурах карьера и увеличить объем запасов, доступных для отработки открытым способом. Верхний предел крутизны бортов определяется их устойчивостью, которая зависит не только от природных, но и от технологии ведения горных работ.
Из отечественных коллективов наибольших практических успехов по проблеме устойчивости карьерных уступов и бортов достиг Горный институт (ГоИ) КНЦ РАН. На основе глубокого геомеханического моделирования обоснована возможность поддержания в устойчивом состоянии бортов под углами гораздо большими, чем считалось ранее. Так, для Ков-дорского ГОКа рекомендована конструкция нижней части борта высотой 400 м под генеральным углом наклона 55° (вместо 45° по первоначальному проекту), что позволит увеличить глубину карьера на 250—300 м и продлить срок его работы на 25—30 лет с соответствующим экономическим эффектом [16].
Но говоря об определенных успехах в области совершенствования открытых горных работ необходимо отметить и существенные пробелы в их научном обеспечении. Это касается вопросов перехода с открытого способа разработки на подземный, а также проблем совместной, открыто-подземной разработки и повторной разработки месторождений.
Говоря о состоянии и перспективах развития открытого способа разработки месторождений необходимо отметить, что в настоящее время открытые горные работы в России приходится вести во все более сложных природных, социально-экономических и технологических условиях. Новые объекты открытых разработок в своей дислокации все дальше отстоят от промышленных центров страны. Траектория развития минерально-сырьевой базы России смещается в сторону Восточной Сибири и Дальнего Востока, в малоосвоенные северные районы, отдаленные от магистральных железных дорог и систем централизованного энергоснабжения. Строительство горных предприятий в таких районах требует крупных затрат на создание местной инфраструктуры и подвод транспортных коммуникаций к строящемуся объекту. Горногеологические и топографические условия месторождений Восточной Сибири, вовлекаемых в открытую разработку, как правило, отличаются большей сложностью в сравнении с объектами, эксплуатируемыми ранее; сопутствует этому также меньшее содержание полезных компонентов в рудах. На ведение открытых работ усложняющее влияние оказывает и суровый климат осваиваемых районов. Резко возрастают расходы по доставке продукции горного предприятия потребителям. Чтобы в этих условиях поддерживать конкурентоспособность своей продукции на рынке, предприятию приходится постоянно изыскивать технические, технологические и организационно-управленческие решения, направленные на удешевление производства.
Однако на сегодняшний день с позиции интересов народного хозяйства открытый способ освоения минеральных ресурсов обладает несомненными преимуществами. Достаточно вспомнить, что доля открытого способа в добыче полезных ископаемых в России сохраняется весьма высокой; по углю —
65 % (к 2020 г. прогнозируется увеличение до 75 %); по железной руде — свыше 90 %; по строительным материалам — почти 100 %.
В недрах России сосредоточена треть мировых ресурсов угля (прогнозные — 3816,7 млрдт) и пятая часть разведанных его запасов (193,3 млрд т, из них бурого угля — 101,2; каменного — 85,3, в том числе коксующегося — 39,8 млрдт). При существующем уровне добычи угля (336,7 млн т в 2011 г.) его запасов хватит более чем на 500 лет. В обозримой перспективе большая часть запасов угля будет отработана открытым способом. Его доля в общероссийской угледобыче продолжает расти: если в 2008 г. она составила 68 %, то в 2011 г. уже достигла 70 %. Подземный способ добычи угля теряет свой вес и в абсолютных цифрах: если в 2007 г. им было добыто 109,6 млн т угля, то в 2011 г. подземная добыча снизилась до 100,9 млн т [17]. Причина последнего состоит в большей дороговизне подземного способа и повышенной опасности работ в шахтах. Так, отмечается, что за последние десять лет доля шахт, опасных по взрывам метана, угольной пыли и горным ударам, возросла до 30 %, при этом удельный вес негазовых шахт сократился до 10 % [18]. Преобладающая и растущая роль открытого способа особенно наглядна при добыче бурых углей: с доли в 86,3 % в 1990 г. она возросла до 97,7 % в 2008 г. К 2020 г. добыча таких углей может быть доведена до 105,2— 142,4 млн т в год (соответственно по умеренному и интенсивному вариантам развития) [19].
Подобная ситуация складывается и в черной металлургии страны. В настоящее время здесь открытым способом добывают 93,5 % железной руды. Предложения ряда научных работников и проектировщиков о переводе действующих железорудных карьеров на открыто-подземный способ разработки не обоснован ни технологически, ни экономически: так, для добычи подземным способом 50 млн т руды в год (а это годовая производительность одних только Лебединского и Михайловского карьеров) необходимо построить порядка 10 крупных рудников, оснащенных современной техникой и инфраструктурой, что вряд ли реально в ближайшем будущем. Запасы Лебединского, Михайловского, Стойленского и Качканарских
карьеров обеспечивают их устойчивую работу за пределами XXI в. База для дальнейшего развития открытых горных работ в черной металлургии еще больше расширится при доразведке и освоении ресурсов железных руд в Полярном Урале, в регионах Сибири и Дальнего Востока [20]. Многие рудники цветной металлургии были построены еще в 1930-х годах и уже перешли на подземный способ отработки глубокозалегаю-щих рудных тел. Тем не менее открытые горные работы остаются в отрасли наиболее производительным и дешевым способом добычи руды, обеспечивая от 25,6 (цинк) до 99,5 % (молибден) добытого рудного сырья. Значительную часть балансовых запасов цветных металлов можно будет отрабатывать открытым способом и в будущем (31,4 % по меди; 35,9 % по бокситам; 71,4 % по молибдену). Разрабатываются проекты освоения ряда месторождений со строительством крупных карьеров — «Удокан» (медь) мощностью 36 млн т руды в год; «Сухой Лог» (золото) — 16 млн т; «Озерный» (цинк, свинец) — 6 млн т; «Федорова Тундра» (никель, платиноиды) — 16 млн т; «Наталкинский» (золото) — 40 млн т; «Быстринский» (медь, золото, железо) — 10 млн т [21].
Открытые горные работы останутся преобладающими в промышленности строительных материалов. Этому способствует неглубокое залегание продуктивной толщи при мощности, как правило, не более 40 м и низким коэффициенте вскрыши (0,3—0,4 м3/м3, редко — до 1 м3/м3) [22].
Так же следует сказать и об освоении техногенных минеральных объектов (хранилищ отходов переработки сырья прежних лет, складов некондиционных руд, отвалов вскрышных пород и пр.). По мнению специалистов, эти так называемые техногенные месторождения могут в XXI в. на 80 % заменить природные с соответствующим экологическим эффектом. Естественно, такие объекты будут отрабатываться открытым способом. Положительный опыт вторичного использования сырья накоплен уже на многих предприятиях (Ковдорский ГОК в России, Центральный ГОК в Украине и др.).
Открытым способом предусматривается освоение в обозримом будущем и новых минеральных объектов. На очереди открытая разработка нескольких крупных месторождений в
Сибири: Удоканского, Сухой Лог, Усинского и др. На Петри-ковском месторождении калийных солей (Республика Беларусь) с запасами руды более 1 млрд т намечено строительство карьера с производительностью по руде 3,5 млн т/год и объемом инвестиций в 2,5 млрд долл. США; ввод предприятия в эксплуатацию запланирован не позднее 2021 г. Даже в одной из крупнейших медьпроизводящих компаний мира — корпорации «Казахмыс» (Республика Казахстан) с преобладающим подземным способом добычи руды (65 % в 2010 г.) предусматривается строительство новых карьеров, в результате чего основную массу руды впоследствии будут добывать уже открытым способом.
В заключении хочется сказать, что усилиями науки и производства удалось преодолеть многие недостатки, изначально присущие открытому способу разработки. В настоящее время в мировой практике горного дела он получил доминирующее распространение, обладая рядом социально-экономических и производственных достоинств, в сравнении с подземным способом, в том числе и экологического характера, и в настоящее время нет преград успешному продвижению открытых горных работ в еще не освоенные минерально-сырьевые провинции. Но существует еще достаточно много нерешенных проблем, над которыми ученым — горнякам предстоит серьезно потрудиться.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вольперт Я. П., Мартынова Г. А. Основные направления минимизации воздействия алмазодобывающей промышленности Якутии на окружающую среду // Горный журнал. 2011. № 1. С. 100—102.
2. Шешко Е. Ф. Основы проектирования угольных карьеров. — М.: Уг-летехиздат, 1950. — 224 с.
3. Поклонов А. А. Угольная компания «Кузбассразрез-уголь» — проблемы развития // Горный журнал. 2006. № 11. С. 52—57.
4. Сытенков В. Н. К проблеме нормализации санитарно-гигиенических условий труда в глубоких карьерах: осознанная реальность и пути решения // Горный журнал. 2009. № 11. С. 30—33.
5. Овчинникова Т. В., Уфлянд Г. С. Расширение Северного медно-цинкового рудника без ущерба окружающей среде Северного Урала // Горный журнал. 2011. № 7. С. 31—34.
6. Калитин В. Т., Ведин А. Т. Научные разработки АК «АЛРОСА» — основа роста производственного потенциала и экономической эффективности алмазодобычи // Горный журнал. 2005. № 7. С. 67—72.
7. Козупеев А. В., Курнев В. Т., Клейменов В. В. Анабарский ГОК: разработка алмазоносных россыпей в арктической зоне Якутии // Горный журнал. 2005. № 7. С. 54—57.
8. Кутузов Б. Н., Репин Н. Я. Перспективные направления развития взрывного дела на открытых горных работах // Горный журнал. 2009. № 11. С. 52—57.
9. Чэдвик Дж. Технический прогресс открытых горных работ за рубежом // Горный журнал. 2010. № 1. С. 91—94.
10. Репин Н. Я. Оборудование и технологии выемочно-погрузочных работ // Горный журнал. 2009. № 11. С. 57—60.
11. Самолазов А. В., Паладеева Н. И. Стратегия производства новой линейки карьерных экскаваторов ООО «ИЗ-КАРТЭКС» // Горный журнал. 2010. № 2. С. 55—58.
12. Потапов М. Г., Шешко Е. Е. Транспортное оборудование открытых горных разработок: состояние и тенденции развития // Горный журнал. 2009. № 11. С. 61—63.
13. Анистратов Ю. И., Гончаров С. А. Расчетно-теоретические предпосылки энергосбережения на рудных карьерах // Горный журнал. 2009. № 11. С. 21 -23.
14. Егоров А. Н., Бигель Н. В. Дизель-троллейвоз: вчера, сегодня, завтра // Горный журнал. 2010. № 11. С. 62—63.
15. Санакулов К. С, Шеметов П. А. Развитие циклично-поточной технологии на основе крутонаклонных конвейеров на глубоких карьерах // Горный журнал. 2011. № 8. С. 34—37.
16. Мельников Н.Н., Козырев А.А., Ёукичев С.В. Новая концепция разработки месторождений глубокими карьерами // Горный журнал. 2009. № 11. С. 11—14.
17. Таразанов И. Г. Итоги работы угольной промышленности России за 2011 год//Уголь. 2012. № 3. С. 40—51.
18. Алексеев К. Ю. Развитие угольной отрасли России // Уголь. 2011. № 8. С. 6—14.
19. Романов С. М. Перспективы развития добычи, переработки и использования бурых углей в России //Уголь. 2009. № 1. С. 15—17.
20. Сухорученков А. И., Евсин В. Г., Николаев К. П. Добыча железных руд открытым способом — фундамент черной металлургии России // Горный журнал. 2009. № 11. С. 77—81.
21. Дюдин Ю. К., Денисов М. Э., Полонский Г. В. Открытые горные работы в цветной металлургии // Горный журнал. 2009. № 11. С. 81—83.
22. Черевко Н. В., Берлович В. В., Сиверов В. А., Холодняков Д. Г. Вклад института «Гипроруда» в развитие горнопромышленного комлпекса Северо-Западного региона // Горный журнал. 2008. № 7. С. 81—84. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ-
Ильин Сергей Александрович — доктор технических наук, профессор, редакция «Горного журнала»,
Пастихин Денис Валерьевич — кандидат технических наук, доцент, Московский государственный горный университет, ud@msmu.ru
