CC BY
131
--------------------------------------------- © В.В. Гущин, В.М. Бусырев,
2005
УДК 622.272
В.В. Гущин, В.М. Бусырев
ТЕХНОЛОГИЯ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ АПАТИТОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ЕЕ РАЗВИТИЯ
Семинар № 13
своение открытых в 30-е годы прошлого столетия уникальных по запасам и горно-геологическим условиям апатитонефелиновых месторождений на Кольском полуострове создало надежную сырьевую базу для организации и развития в стране производства фосфорсодержащих удобрений. В условиях Заполярья титаническими усилиями рабочих, инженеров и научных работников при постоянной поддержке государства в Хибинах был построен крупнейший в мире горнопромышленный комплекс по добыче и обогащению апатито-нефелиновых руд.
Разработка запасов фосфатного сырья, начатая в 1930 г. открытым способом, велась на первом этапе без механизации. Несмотря на тяжелейшие условия, страна получила первые 250 тыс. т богатой апатитовой руды и уже в следующем 1931 г. смогла отказаться от импорта дорогостоящих марокканских фосфоритов, а через пять лет добыча превысила 1 млн т и Советский Союз сам стал крупным экспортером фосфатного сырья. Во все последующие годы до начала общего спада экономики страны добыча руды и производство апатитового концентрата постоянно росли и в 1990 г. достигли максимально 37.5 и 19.6 млн.т. Для переработки фосфатного сырья в стране потребовалось построить 26 суперфосфатных заводов, часть сырья экспортировалась в 14 государств. В настоящее время в Хибинах действуют Кировский объединенный, Расвумчоррский, Центральный и Восточный рудники.
С самого начала освоения минеральносырьевых ресурсов Хибин на комбинате "Апатит" сложилась и до настоящего времени сохраняется тенденция постановки и решения инженерных задач, возникающих в ходе развития производства, совместно с ведущими научными и проектными институтами при актив-
ном участии собственных творческих кадров -кандидатов и докторов наук. В разные годы над проблемами освоения минеральносырьевой базы Хибин работало до 25 институтов, из них практически постоянно Кольский научный центр РАН, ГИГХС, ЛГУ, МГУ, "Ги-проруда", "Гипроникель", "Механобр" и другие. Такой подход обеспечил совершенствование технологии добычи и обогащения добытой руды в соответствии с требованиями времени и развития производства.
На основании опыта совместной работы специалистов производства, научных и проектных организаций был выработан методический подход к совершенствованию геотехнологии, которым предусматривалось проведение крупномасштабных экспериментов всех предлагаемых инженерных решений и технических средств, что обеспечивало принятие наиболее правильных решений и способствовало повышению эффективности горных работ. Кроме того руководством комбината "Апатит" важнейшее значение придавалось разработке технической политики на длительную перспективу, главной целью которой являлось определить гармоничное развитие всех производственных структур предприятия с учетом совершенствования производства, в первую очередь объектов рудной базы, для надежного обеспечения обогатительных фабрик рудой и фосфатных заводов страны апатитовыми концентратами.
В истории освоения Хибин, отчетливо прослеживаются несколько этапов и переходных периодов совершенствования геотехнологии, в которых использовались основные достижения отечественной науки и опыт ведения горных работ на рубежом.
Таблица 1
Основные технико-экономические показатели системы этажного принудительного обрушения
Показатели Способ отбойки и выдачи руды
минными зарядами, грохотная схема скважинными зарядами, скреперная доставка
Затраты на 1000 т руды:
- материалы, % 100 68.7
- зарплата 100 31.9
Строительство и ремонт сооружений в очист- 100 68.4
ных блоках на 1000 т руды, %
то же, чел-смен 0.8 0.4
Всего затрат на 1000 т руды, % 100 63.9
Трудовые затраты на 1000 т руды, чел-смен 10.9 4.1
Производительность механизмов на выпуске 210 400
руды, т/смену
Трудоемкость системы, чел-смен/1000 т 25 15.3
Впервые строительство подземного рудника в Хибинах начато на месторождении Кукис-вумчорр в 1933 г. Вскрытие осуществили капитальной штольней нормального железнодорожного профиля на горизонте +377 м и этажными штольнями со склона горы. Первые годы добыча велась системой с магазинированием со шпуровой отбойкой руды в камерах и последующим обрушением целиков шпуровыми и минными зарядами1. В конце 40-х годов перешли на систему этажного принудительного обрушения (без оставления целиков) с минной отбойкой и выпуском руды через горизонт грохочения. Отбойку руды в блоках сначала вели путем последовательного обрушения подэтажей минными зарядами снизу вверх на подконсольное пространство, как это было принято в горной промышленности. В последствии заменили отбойкой руды секциями на всю активную высоту этажа на временно мага-зинируемую руду и обрушившиеся породы и тем самым впервые в мировой практике осуществили принцип отбойки "в зажатой среде". Кроме того в этот же период был осуществлен переход технологии от двухстадийной выемки к одностадийной. Все это позволило повысить безопасность работ и при одновременном увеличении высоты подэтажей улучшить технико-экономи-ческие показатели. Объем руды отбиваемой массовым взрывом вырос с 15-20 до 50100 тыс. т, в отдельных случаях 200-300 тыс. т.
Сократились простои рудника на время проведения массовой отбойки и проветривания, производительность труда на выдаче руды увеличилась со 120 до 212 т/смену. Дальнейшее совершенствование технологии, как показал анализ практического опыта и результатов экспериментов в производственных условиях, не могло обеспечить существенного улучшения экономики. Нужно отметить, что попытки применить зарождающийся в то время более перспективный скважинный способ отбойки предпринимались дважды, но эксперименты не дали положительных результатов по причине отсутствия в тот период производительной и надежной техники бурения и заряжания скважин.
Начиная с 1960 г. на апатитовых рудниках проводились широкомасштабные исследования, опытно-промышленные испытания и освоение вариантов технологии очистных работ с массовой отбойкой руды скважинами и механизированным ее выпуском из блоков. Этому в первую очередь способствовало появление в стране более совершенной техники бурения и затем заряжания глубоких скважин, а также средств доставки отбитой руды. Предварительно было установлено, что в условиях апатитовых месторождений технология скважинной отбойки, несмотря на несколько низкие показатели в начальный
'Впервые способ массовой отбойки руды минными зарядами предложен проф. П.И. Городецким в свое время работавшим на комбинате "Апатит", впоследствии многие годы поддерживавшим связь с его специалистами.
Таблица 2
Основные технико-экономические показатели поточной выдачи руды
период ее освоения, обладает существенно более значительными потенциальными возможностями для дальнейшего улучшения эффективности подземных работ.
За прошедший длительный период система этажного принудительного обрушения со скважинной отбойкой руды прошла несколько этапов своего совершенствования прежде чем приобрела современные черты. К основным ее вариантам в последовательности их испытаний, совершенствования и освоения можно отнести следующие:
- отбойка руды горизонтально-веерными скважинами из подэтажных буровых выработок и выдача ее скреперными лебедками с люковой погрузкой;
- отбойка руды горизонтально-веерными скважинами из подэтажных буровых выработок и выдача ее скреперными лебедками с без-люковой погрузкой;
- отбойка руды вертикальными параллельными скважинами из выработок буроподсечного горизонта на всю активную высоту и выдача ее скреперными лебедками;
- отбойка руды восходящими веерными скважинами с увеличенной высотой подэтажей и выдачей ее скреперными установками с контрольно-вентиляционным горизонтом;
- отбойка руды восходящими веерными скважинами с увеличенной высотой подэтажей и выдачей ее скреперными лебедками с безлю-ковой погрузкой, односторонним и двухсторонним расположением выпускных воронок;
- отбойка руды восходящими веерными скважинами с увеличенной высотой подэтажей и выдачей ее вибропитателями.
Во всех вариантах сохраняется принцип отбойки руды в условиях зажатой среды и одностадийная (бесцеликовая) отработка запасов этажа. В результате длительного совершенствования системы этажного принудительного обрушения при отработке апатитонефелиновых месторождений Хибин достигнуты высокие технико-экономические показатели (табл. 1).
В ходе освоения системы разработки стремились к увеличению объема массовых взрывов, что диктовалось растущими масштабами производства и экономическими интересами. Если в первый период массовыми взрывами скважинных зарядов отбивали от 70 до 100 тыс. т руды, то в последствии объемы отбойки возросли до 600-800 тыс. т, а в отдельных случаях до 1240 тыс. т. Однако опыт показал, что
по условиям сейсмичности объем отбойки руды следует ограничить до 500-600 тыс. т.
Увеличение объемов массовой отбойки и сосредоточение значительных запасов отбитой руды в очистных блоках требовало поиска высокопроизводительных способов ее выдачи. В этих целях на рудниках Хибин проводились крупномасштабные испытания скреперной доставки с последовательным увеличением мощности скреперных лебедок с 28.5 до 55, 75 и 100 кВт и емкости скреперов с 0.5 до 1.0 м3. Совершенствование скреперной доставки и одновременно конструкции днищ блоков позволило увеличить производительность процесса с 200-270 до 360-400 т/смену, в отдельных случаях до 500 т/смену. Установлено, что при оптимальных расстояниях доставки (средняя длина 10-15 м) увеличение мощности скреперных лебедок более 100 кВт не дает ощутимого экономического эффекта. Поэтому в 70-х годах прошедшего столетия приступили к освоению выдачи отбитой руды с помощью вибропитате-
Рис. 1. Схема отбойки и поточной выдачи руды в опытной секции бл. 6/8 и 8/10 гор. +600 м Юкспорского рудника (ОАО "Апатит"): 1 - рудоспускная шахта; 2 — конвейер КЛТ-120; 3 - вибропитатель ПВРА-3.0/1.3; 4 - смотровой ходок; 5 - контрольно-вентиляционный орт; 6 - откаточный штрек; 7 - подэтаж-ный штрек; 8 - скважины диаметром 105 мм; 9 - отбитая руда; 10 - буровой орт
В производственных условиях испытаны несколько вибропитателей различных конструкций и ряд их модификаций, в том числе изготовленных комбинатом "Апатит". Одновременно с этим совершенствовалась конструкция выпускных выработок днища блоков. Наиболее соответствующими условиям выпуска апатитовых руд оказались вибропитатели ПВР-3/1.3 и ПВР-4.5/1.6. Производительность вибровыпуска составила 800-1300 т/смену.
Исследования показали возможность значительного увеличения производительности процесса выдачи отбитой руды при применении вибропитателей в комплексе с конвейерами. Более соответствующим условиям апатитовых рудников признан ленточно-тележечный конвейер КЛТ-120 конструкции чл.-корр. АН СССР А.О. Спива-ковского, который надежно функционировал при выдаче руды крупностью до 1.2 м. Конвейер испытан на Юкспорском руднике в комплексе с вибропитателями ПВР-3/1.3 (рис. 1). Результаты испытаний подтвердили возможность резкого в несколько раз до 3430 т в смену увеличения производительности процесса выдачи отбитой руды из блоков (табл. 2). Одновременно с этим они показали, что для эффективного использования комплексов необходимо создавать над ними существенно более значительные запасы отбитой руды.
Рост объемов производства апатитового концентрата и мощностей по обеспечению обогатительных фабрик рудой во все возрастающих масштабах в 1969-1970 гг. выдвинули на передний план в числе других задачу вовлечения в будущем в эксплуатацию месторожде-
ний с низким содержанием апатита, причем подземным способом. Обеспечить приемлемую экономичность горных работ при таких условиях можно было в случае применения новой более совершенной геотехнологии. В качестве таковой комбинатом совместно с предприятием п/я М-5703 предложена система разработки с отбойкой руды ядерными зарядами. В соответствии с разработанными проектами на месторождении Куэльпор в 1972 и 1984 гг. проведены два эксперимента "Днепр-1" и "Днепр-2" (рис. 2). При проектировании в максимальной мере использован опыт совершенствования системы этажного принудительного обрушения, накопленный комбинатом, а также способность руды, содержащей минерал апатит, хорошо дробиться независимо от способа отбойки: минными или скважинными зарядами, в том числе в условиях зажатой среды. Особенность геотехнологии заключалась в том, что, во-первых, ядерный заряд размещался в боковых породах за намечаемым контуром отбойки; во-вторых, отбиваемый участок оконтуривался вертикальными щелями
- экранами с противоположной от ядерного заряда стороны и нижней подсечкой; в третьих, от места размещения ядерного заряда в сторо-
Рис. 2. Ядерный взрыв "ДНЕПР-2" со скреперной доставкой руды
ну противоположную от отбиваемого массива проходилась горизонтальная выработка с камерой для захоронения отходов ядерного взрыва; в-четвертых, в выработках, имеющих выход на дневную поверхность, устраивались перемычки специального назначения. В обоих случаях рудный массив отбит в намеченных контурах. Объем отбитой руды составил 121 и 448.4 тыс. м3. Крупность ее дробления практически не отличалась от дробления обычными (химическими) ВВ. Выпуск осуществлен в одном случае скреперными лебедками 100 кВт (производительность 350 т/смену), в другом конвейером КЛТ-120 в комплексе с вибропитателями КВЗС-4.5 (производительность 3500
т/смену). Объем проходческих выработок на 1000 т запасов руды в несколько раз меньше, чем при системе этажного принудительного обрушения. Полученные показатели подтвердили экономическую целесообразность применения новой технологии для разработки месторождений с низким содержанием апатита в руде. Это послужило основанием для разработки проекта горных работ для Партомчорр-Лявойокского месторождения. Проект не был осуществлен в виду принятия в 1996 г. Договора о всеобщем запрещении ядерных испытаний. Многолетние наблюдения, ведущиеся с момента экспериментов до настоящего времени, свидетельствуют об отсутствии радиационного загрязнения природной среды.
Весьма перспективна в условиях Хибинских месторождений система подэтажного обрушения с торцовым выпуском руды с применением самоходного оборудования. Впервые на апатитовых рудниках вариант этой системы предложен комбинатом "Апатит" совместно с ГИГХСом в 1969-1970 гг. для отработки запасов в лежачем боку месторождений. Скважины бурили станками НКР-100М, выдача руды осуществлялась комплексом включающим по-
грузочную машину и самоходный вагон (ПНБ-3К, ЗВС-15РВ). В тот период (1970 г. Кировский рудник, блок 6/7, горизонт +392 м) не удалось получить высоких технико-экономических показателей (среднесменная производительность комплекса составила 196 т) по причине несоответствия качества дробления руды применяемым выдачным комплексам, простоями и ненадежностью работы последних.
В последующем периоде система подэтаж-ного обрушения с торцовым выпуском руды стала применяться во все возрастающих масштабах благодаря как совершенствованию ее конструктивных параметров, так и в виду применения высокопроизводительной техники и ее соответствия технологии очистных работ.
В настоящее время работы ведутся с использованием буровых кареток "Миниматик ГС-207Л", погрузочно-доставочных машин "Торо-350Д", "Торо-400Д", автосамосвалов
"Торо-35Д", "Торо-40Д" и другой техники, в том числе вспомогательного назначения. На очистных работах принята схема, по которой отбитая на подэтажах руда доставляется в рудоспуски, разгружается на откаточном горизонте в автосамосвалы и ими выдается из руд-
ника. Высота подэтажей до 25 м, расстояние между погрузочными заездами 14-16 м.
Удельный вес добычи этой системой в последние годы на подземных рудниках составляет 40-55 %. Производительность труда забойного рабочего достигает 35 м3/смену, что несколько меньше, чем при этажном принудительном обрушении. Однако опыт ее освоения дает основание предполагать наличие значительных резервов и возможность дальнейшего улучшения технико-экономических показателей добычи апатитовых руд этой системой. Кроме того, в сравнении с системой этажного принудительного обрушения, она отличается более гибким порядком отработки запасов этажа и возможностью маневрировать фронтом очистных работ, что в условиях повышенного напряженного состояния Хибинского массива и опасности проявлений горного давления дает ей также определенные преимущества. В виду этих обстоятельств система подэтажного обрушения с торцовым выпуском руды имеет перспективы на расширение масштабов применения при освоении Хибинских апатитонефелиновых месторождений.
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------
Гущин Владимир Васильевич - профессор, доктор технических наук, главный научный сотрудник, Бусырев Владислав Михайлович - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник,
Горный институт КНЦ РАН
--------------------------------------------- РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ
МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
1. Галиева Н.В., Еременко О.В. Применение метода кластерного анализа для сравнительной оценки деятельности угольных шахт (№ 398/06-05 — 16.03.05) 8 с.
^---------
---- © В.Г. Едигарьева, А. А. Леонтьева,
С.В. Горяева, 2005
