Проектирование горнотехнических систем

М.Рыльникова, журнал "Промышленность Казахстана", 4 (25), 08.2004 г.

Перспективы освоения крупных месторождений связаны с реализацией при проектировании горнотехнических систем единого стратегического под­хода на весь период комбинированной разработки.

Такой стратегический подход пре­дусматривает составление единого комплексного проекта, в котором технологически увязаны порядок и ре­жимы открытых, подземных и физико-химических работ при периодическом плановом воспроизводстве мощностей в интересах комплексного освоения недр и своевременного технического переоснащения производства.

Анализ опыта освоения месторож­дений комбинированным способом свидетельствует, что в результате сложившейся практики разработки раздельных и невзаимосвязанных между собой проектов на открытую и подземную выемку запасов, в которых эти альтернативные технологии рас­смотрены как конкурирующие, именно на этой основе определяются границы карьерного и шахтного полей, не реа­лизуются преимущества, заложенные в основу комплексной комбинированной технологии освоения недр.

Кроме того, в проектах в основном не решены вопросы специфики освое­ния переходных зон, расположенных на границах открытых и подземных горных работ, поэтому переход с од­ной технологии на другую связан с воз­никновением целого ряда негативных и труднорешаемых проблем. Большая часть этих проблем связана с рассмот-

рением применения в рамках одного месторождения открытого и подзем­ного способов как альтернативных и конкурирующих.

Перспективы комбинированной технологии освоения месторождений состоят в создании единого проекта освоения запасов открытыми, подзем­ными, а в ряде случаев физико-хими­ческими способами добычи, технологи­чески взаимосвязанными между собой и оптимизированными по области эф­фективного применения.

При этом формируются общие схе­мы вскрытия и подготовки запасов, совместные решения вопросов гео­механики, вентиляции, водоотлива, транспортирования горной массы.

Особое место в стратегии при­надлежит решению вопросов опти­мизации качества объединенного с открытых и подземных горных работ рудопотока, повышению полноты и качества освоения недр, снижению экологического воздействия про­мышленной добычи.

Формирование стратегии в началь­ный период освоения месторождения с определением не столько конкретных границ, сколько условий перехода к альтернативной технологии, зало­жением на весь период разработки единой схемы вскрытия обеспечивает возможность эффективного функцио­нирования каждого из способов в ус­ложняющихся условиях эксплуатации месторождений.

Доработка рудных запасов, остав­ленных за контуром открытых и подземных работ, физико-химическими методами добычи помимо повышения полноты и комплексности освоения месторождений обеспечивает также повышение степени переработки рудного сырья, вплоть до получения металлического продукта на уровне горнодобывающего предприятия, позволяет существенно повысить экономические показатели разра­ботки.

Этому способствует активное ис­пользование существующих выработок карьера и подземного рудника, вовле­чение в отработку некондиционных и бедных отвальных руд.

При этом меняется сама целевая функция проектирования отдельных этапов разработки месторождения - не эффективное извлечение запа­сов месторождения одним из способов (открытым или подземным), а созда­ние благоприятных условий перехода на альтернативные технологии с тем, чтобы совокупный доход от освоения месторождения комбинированными геотехнологиями был максимальным.

Такая реальная возможность имеет­ся при проектировании комбинирован­ной технологии в рамках комплексного проекта, в котором предусмотрено на отдельных и достаточно больших участ­ках месторождения (в переходных зонах) использование технологиче­ского оборудования и специфических процессов, альтернативных способов для качественного улучшения показа­телей применения основных базовых технологий.

Так, наличие в прикарьерном масси­ве развитой сети подземных выработок позволяет превентивно использовать технологии анкерного крепления участков массива борта карьера пе­ред постановкой его в предельное положение, создавать отрезные щели с формированием крутых откосов, использовать воронки обрушения в качестве ловушек осыпающихся с крутых откосов кусков породы, формировать на границе отрытых и подземных работ искусственные массивы с заданными механическими характеристиками.

Перспективным является также использование подземных технологий со взрыводоставкой рудной массы к экскаваторным забоям, применение подземных транспортных выработок для перемещения рудной массы с нижних горизонтов карьера.

Подобное использование подзем­ных технологий за счет увеличения угла откосов бортов карьера в пре­дельном положении обеспечивает значительное снижение объемов вскрышных и отвальных работ и, сле­довательно, способствует решению экологических проблем и повыше­нию интенсивности и эффективности открытых технологий.

В свою очередь открытые горные работы при проектном целенаправ­ленном решении вопросов создания благоприятных условий для после­дующего развития подземной добы­чи формируют рабочие площадки, обеспечивающие эффективное при­менение открыто-подземных техно­логий, да и сам карьер, который по сути является большой вскрывающей выработкой и может служить для осуществления подготовительно-на­резных и очистных работ за контуром карьерной выемки.

Карьерное пространство может быть использовано для вентиляции и водоотлива подземного рудника, а карьерная вскрыша применяться при производстве закладочных работ в шахте.

Сформированное в карьере пород­ное, ледопородное и снегопородное перекрытие создает благоприятные условия выпуска обрушенной руды при системах разработки с обрушением.

Следует отметить, что отдельные требования к отработке запасов за контуром карьера являются взаимно зависящими, противоречивыми и даже в ряде случаев взаимно исклю­чающими: полнота выемки запасов в сложных условиях и минимизация затрат, обеспечение надежной изоляции подземных выработок и максимальное использование карьерного пространства для выемки запасов за предель­ным контуром карьера, взаимозависи­мость объемов и динамики отработки запасов, предусмотренных для добычи открытой, открыто-подземной и физи­ко-химическими технологиями.

Поэтому удовлетворение таких тре­бований может быть частичным, может формироваться на компромиссной основе либо часть позиций может иг­норироваться для наиболее полного выполнения других, более важных для данного месторождения в сущест­вующих условиях, диктуемых органи­зационно-экономической ситуацией и требованиями рынка, задач.

Выполнение вышеприведенного комплекса специфических требований приводит к тому, что технологические схемы отработки приконтурных за­пасов могут и должны существенно отличаться от технологической схемы работы рудника в целом.

Возможность выемки запасов вблизи контура карьера более эффек­тивными комбинированными техно­логиями, основанными на сочетании технологических процессов, различ­ных способов добычи предполагает выделение в рамках комплексного проекта специальных проектов, диф­ференцированных по отдельным учас­ткам законтурных залежей в связи с геологическими и морфологическими особенностями их залегания, увязан­ных с технологиями отработки запасов на других участках в части порядка отработки, способа проветривания, конструкции горизонтов.

В то же время специфика распо­ложения приконтурных запасов в случае разработки единого комплекс­ного проекта освоения месторождения определяет возможность отработки достаточно большой части открыто-подземными системами разработки, осуществляемыми на выемочном участ­ке безуступной технологией очистных работ, основанной на рациональном сочетании технологических процессов различных способов выемки.

Использование технологических преимуществ каждого способа: от­крытого - высокая производительность бурового и погрузочно-доставочного оборудования и подземного - малогабаритность и высокая маневренность самоходной техники, отсутствие вскрышных работ с обеспечением устойчивости массива путем примене­ния различных способов управления горным давлением, позволяет достичь более высоких показателей освоения запасов.

Следует указать еще на одну осо­бенность проектирования работ в приконтурной зоне.

Она состоит в необходимости ком­плексного решения таких проблем, как управление состоянием подраба­тываемых бортов карьера, изоляция подземных выработок, организация совмещения горных работ в контурах карьера и за его пределами.

Одно из условий эффективного освоения месторождений комбини­рованным способом - рациональное использование выработанных про­странств для технологических нужд открытого и подземного рудника и в интересах улучшения экологической обстановки.

Различная последовательность сочетаний открытых и подземных ра­бот, внутреннее отвалообразование, применение систем разработки с за­кладкой выработанного пространства твердеющими, сыпучими и композици­онными составами, использование для приготовления закладочных смесей пород вскрыши позволяет сократить объемы отвалов и существенно сни­зить экологическую нагрузку на ок­ружающую среду, а также повысить полноту и качество освоения запасов ценных руд.

Реализация в проекте указанных мер позволит существенно сократить капитальные и эксплуатационные за­траты, обеспечить плановое возмеще­ние выбывающих мощностей, сохране­ние рабочих мест и заблаговременную переподготовку кадров, повысить полноту и комплексность освоения недр. Наличие общей для открытого и подземного рудника инфраструктуры, транспортных коммуникаций также способствует повышению эффектив­ности и интенсивности горных работ.

В рамках комплексного проекта на отдельных и достаточно больших участ­ках месторождения (в переходных зо­нах) обеспечивается технологическое взаимодействие карьера и подземного рудника, элементов открытых и под­земных технологий с формированием единой горнотехнической системы.

Переход на подземные работы мо­жет происходить без образования и с образованием единого выработанного пространства в переходной зоне. В пер­вом случае работы ведутся без остав­ления барьерного целика в основании и в бортах карьера - буровые работы ведутся из карьерного пространства и из подземных выработок, погрузка и транспорт руды осуществляются через шахту. При этом могут применяться системы разработки как с поддержа­нием очистного пространства, так и с обрушением. Достоинством этого варианта является возможность разме­щения в выработанном пространстве карьера вскрышных пород.

Во втором случае либо оставляет­ся естественный целик-потолочина, обрушаемый после завершения работ в карьере, либо формируется искусст­венный подкарьерный целик из закла­дочного материала.

Преимуществом данной схемы яв­ляется возможность раннего развития работ в переходной зоне параллельно с производством открытых работ на верхних горизонтах, что позволяет обеспечить поддержание, а в ряде случаев и наращивание производствен­ной мощности рудника, а также решить вопросы вентиляции и водоотлива.

Такой подход к проектированию комбинированной разработки предполагает размещение основных вскрывающих выработок с учетом перспективы развития горных работ в карьере и на подземном руднике и последующего функционирования их на всех этапах разработки.

При этом карьерный съезд и сам карьер рассматриваются как вскры­вающие выработки для шахтных запасов.

В свою очередь вскрывающие подземные выработки используются не только для освоения запасов под­земных горизонтов, но и для вскрытия глубоких горизонтов карьера.

Очевидно, что отказ от двух само­стоятельных схем вскрытия путем при­менения общей схемы в едином плане горных работ на весь период освое­ния запасов месторождения позволит существенно снизить капитальные и эксплуатационные затраты, избежать негативных последствий переходного периода с одного вида горных работ на другой при рассмотрении их в раз­дельных проектах и расширит область эффективного применения комбиниро­ванных технологий.

Разработанные с учетом особен­ностей комбинированной геотехно­логии технологические схемы выемки запасов переходных зон, основанные на синтезе производственных процес­сов различных способов разработки, предусматривают различные способы контроля и управления состоянием массива (выбор схемы определяется механическими характеристиками и устойчивостью массивов руды и вме­щающих пород и геомеханической обстановкой на месторождении) и позволяют отрабатывать запасы прак­тически в любых горно-геологических условиях, обеспечивая высокую пол­ноту освоения недр и использование выемочных пространств действующих рудников.

Принятие технологических решений по выемке запасов переходных зон ха­рактеризуется высокой степенью риска и должно сопровождаться геомеханическими расчетами с повышенной сте­пенью ответственности, определяемой небольшим резервом коэффициента запаса устойчивости прикарьерного массива на период завершения от­крытых горных работ.

Многообразие технологических схем освоения запасов комбиниро­ванной технологией характеризуется различным уровнем риска.

Поэтому выбор предпочтительного варианта должен сопровождаться эко­номической оценкой, в основу которой положен не только расчет детерминиро­ванных экономических показателей эф­фективности инвестиций в реализацию проектных решений, но и вероятностная экономическая оценка риска реализации каждой из технологических схем.

Последняя предполагает идентифи­кацию факторов риска, оценку вероят­ности возникновения и экономических последствий, а также разработку мето­дов управления рисками с подсчетом затрат на их реализацию и возможных расходов на устранение последствий неблагоприятного исхода.

Реализация принципов комплексно­го освоения месторождений возможна на основе системного подхода к про­ектированию, при котором каждая из проектных задач рассматривается как элемент единой технологической схе­мы освоения месторождения.

При этом эффективность частных проектных решений оценивается с позиций обеспечения максимальной эффективности всей технологической схемы.

Таким образом, в отличие от традиционной методологии, пред­полагающей последовательное и в значительной степени обособлен­ное решение основных проектных задач, при комплексном освоении месторождения методы проектиро­вания предусматривают системное обоснование технологической схемы отработки на каждом этапе на основе исследования взаимосвязи проектных задач и оптимизации комплексной схемы вскрытия, подготовки, техно­логии, направления и порядка очист­ной выемки на различные этапы освоения месторождения.

Принципы конструирования гор­нотехнических систем при комбини­рованной геотехнологии:

- наличие на стадии проектирования стратегии комплексного освоения мес­торождения в целом с определением последовательности воспроизводства выбывающих мощностей и границ ра­ционального применения технологий;

- создание благоприятных усло­вий перехода от одной технологии к другой;

- использование существующих выработок, поверхностных комплек­сов и транспортных коммуникаций карьера;

- применение в схемах вскрытия шахтных запасов выработанного карьерного пространства;

- использование в общей схеме транспортирования рудного потока вертикальных и наклонных подземных транспортных выработок;

- применение при очистной выемке комбинированных технологий на базе карьерного и подземного бурового, погрузочного и транспортного обо­рудования;

- рациональное сочетание техноло­гических процессов различных спосо­бов разработки;

- использование образующегося единого выработанного пространства и зон обрушения для размещения вскрышных пород и отходов обога­щения.

Комплексное проектирование осво­ения запасов всех ярусов в рамках еди­ного проекта позволяет создать режим экономического и технического благо­приятствования различных технологий добычи на всех этапах разработки, со­кратить и рационально распределить по этапам разработки капитальные затраты на освоение месторождения, снизить себестоимость добычных ра­бот за счет оптимального сочетания технологических процессов открытых и подземных работ при выемке запасов переходных зон, а также экономиче­ского обоснования эффективной глу­бины производства горных работ на каждом этапе разработки, обеспечить плавный переход с открытого на под­земный способ без разрыва в добыче руды; сократить ареал экологического воздействия на окружающую среду.

Таким образом, в отличие от традиционной методологии, преду­сматривающей последовательное и в значительной степени обособленное решение основных проектных задач, при комплексном освоении место­рождения комбинированным способом методы проектирования должны пре­дусматривать системное обоснование технологической схемы отработки на каждом этапе комплексного освоения месторождения различными техно­логиями на основе исследования их взаимосвязи и совместного участия в формировании уровня количествен­ных, качественных и экономических показателей добычи.

Методология проектирования разработки месторождений должна предусматривать совместную оптими­зацию проектных задач на различных этапах освоения месторождения по выбору наиболее эффективной схе­мы вскрытия, подготовки, очистной выемки и порядка отработки запасов различными способами и система­ми разработки на основе критерия экономической эффективности, учи­тывающего последствия риска реа­лизации каждой из технологических схем.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 03-05-64644)

Прочитано 7204 раз