Что такое комбинированный способ разработки месторождений полезных ископаемых

Комбинированным называется способ разработки месторождения твердых полезных ископаемых двумя или более принципиально различными технологиями.
Критериальным признаком комбинированной разработки является применение указанных различных технологий горных работ в зонах взаимного их геомеханического влияния.
Обязательное условие эффективности комбинированной разработки — наличие единой схемы вскрытия месторождения для всего периода его эксплуатации.
К принципиально различным технологиям, исторически сложившимся и в различной степени применяющимся в горно-добывающей промышленности, относят следующие: физико-механические, физико-химические и химико-биологические.
Группа физико-механических технологий включает в себя традиционные технологии открытой и подземной разработки месторождений, а также технологию разработки с использованием ядерного взрыва.
Сущность их состоит в механическом воздействии на монолитные или разрыхленные массивы руды с целью отделения от них части с последующим дроблением и транспортированием руды к месту переработки.
При физико-химических технологиях путем растворения, выплавления, выщелачивания, обжига и других физико-химических процессов преобразуют твердые рудные и нерудные полезные ископаемые в жидкое или газообразное состояние, извлекают их в таком виде из массивов горных пород и транспортируют на пункты переработки.
Химико-биологические технологии основаны на способности определенных видов бактерий образовывать или разрушать некоторые минералы, преобразуя их до уровня полезных ископаемых, которые извлекают из недр одним из указанных ранее способов.
В результате сочетания во времени и в пределах одного месторождения различных технологий выделяются обобщенные варианты комбинированного способа разработки:
1) совместная во времени и в пространстве открытая, подземная и физико-химическая отработка месторождения;
2) последовательная открыто-подземная или подземно-открытая разработка; физико-химические способы могут присутствовать в любом из этих подвариантов;
3) повторная разработка месторождения в любом сочетании подземных, открытых и физико-химических способов.
С учетом высказанных пояснений по вариантам комбинированной разработки уместно прокомментировать прозвучавшие ранее определение и понятие.
Для однозначного понимания и толкования используемых терминов и положений требуются четкие критерии как для распознавания их, так и для размежевания с подобными или похожими.
В нашем случае с учетом этих условий определение рассматриваемого способа можно сформулировать следующим образом.
Комбинированным называется способ разработки месторождения несколькими принципиально различными технологиями, осуществляемыми в зонах взаимного геомеханического влияния при единой схеме вскрытия месторождения.
Из этого определения следует, что разработку месторождения (одного и того же) нельзя будет отнести к категории комбинированной, если оно не имеет единой схемы вскрытия и, что очень важно, если различные технологии очистных работ (открытая разработка, подземная добыча, физико-химические методы) не испытывают взаимного геомеханического воздействия.
Вскрытие месторождения, как отмечает член-корр. РАН Л.A. Пучков, относится к категории системных, т.е. определяющих принципиальные характеристики выбранной технологии: системы разработки, транспортные коммуникации, схемы проветривания рудника и карьера и т.п.
И, наконец, о так называемых переходных зонах. Понятие о них появилось в последние годы и предполагается как бы обязательность их в схемах комбинированной разработки.
Получается нонсенс. С одной стороны, проповедуется всё единое: и вскрытие, и технологические схемы, и т.д. С другой, — выделяют переходную зону как особую структуру в схеме комбинированной разработки. Дальше — больше: обособляя эту зону, рекомендуют для добычи руды в ней составлять отдельный проект.
Тем самым обесценивается в целом идея единого технологического пространства — основы комбинированной разработки и неоправданно осложняются геомеханические, технологические и экономические процессы.
Таким образом, сам факт появления переходной зоны является показателем некачественности схемы вскрытия или схемы комбинированной разработки месторождения в целом.
Между тем переходная зона (если она появляется) — это издержки последовательного перевода добычных работ с открытой технологии на подземную. То есть предполагается, что сначала по самостоятельному проекту открытым способом отрабатывается верхняя часть залежи, а затем составляется самостоятельный проект на доработку месторождения подземным способом. А где-то на промежуточных этапах спонтанно может вклиниться физико-химическая технология. Значит может появиться ещё одна непредвиденная (значит — неподготовленная) переходная зона.
В итоге утрачиваются многие достоинства комбинированной разработки как единой технологии в едином пространственно-временном поле.
Следовательно, в едином проекте комбинированной разработки месторождения следует избегать переходных зон, а в проектах развития уже существующих разработок (открытых или подземных), если не удается избежать появления переходных зон, то объемы их должны быть сведены к минимуму.
Правда, в учебниках всё излагается так, как и должно быть. И это — правильно. Практика, однако, отличается и часто весьма существенно от теории. Это касается не только переходных зон. И вот почему.
Даже если абстрагироваться от влияния природных, социальных и им подобных факторов на технологию и экономику разработки рудных месторождений, существует ряд специфических начальных условий, определяющих схемы и результативность комбинированной разработки.
Во-первых, в нашей стране, да, пожалуй, и в мире, не существует ещё предприятия, которое было бы изначально спроектировано и его деятельность реализована по такой схеме комбинированной разработки, о которой говорится в этом разделе.
Во-вторых, и это главное, все действующие предприятия, на которых воплощается идея комбинированной разработки, начинались как самостоятельные карьер или подземный рудник и затем спустя много времени подключали альтернативную технологию для доработки запасов руд.
Из изложенного следует, что горно-рудная промышленность пока не может похвастаться примером использования комбинированного способа разработки «в чистом виде».
Тем не менее, даже не полное, иногда фрагментарное применение этого способа освоения рудных месторождений демонстрирует его достоинства настолько очевидно, что комбинированная технология бурно развивается, а подчас становится единственным вариантом решения проблемы отработки запасов руд.
Существует еще понятие «повторная разработка рудных месторождений». Такой вариант освоения запасов руд предполагает, что на месторождении ранее, как минимум однажды, уже добывали полезное ископаемое каким то из существовавших в то время методов. Назовем эту разработку первичной.
По каким-либо важным в тот период причинам добыча полезного ископаемого была прекращена.
Спустя определенное время условия (политические, социальные, экономические, технологические и пр.) изменились, и люди, вспомнив о существовании этого месторождения, возвращаются к нему.
Следует заметить, что целью повторной разработки месторождения могут быть не всегда те полезные ископаемые, которые добывали в первом случае (т.е. при первичной разработке), а совершенно другие.
Такое в истории рудодобывающих предприятий встречается весьма часто Например, на многих полиметаллических рудниках Алтая и Сибири ранее (десятки и сотни лет назад) добывали золото, серебро, позже — медь. Некоторые из них были объектом добычи железных руд из так называемой «железной шапки» — карбонатных руд, покрывающих сверху основные залежи.
Другой особенностью месторождений, намеченных к повторной разработке, становится необходимость весьма тщательной разведки и обследования состояний не только оставленных запасов руд, но и уже разрабатывавшегося шахтного (или карьерного) поля, особенно в тех случаях, когда документация о предшествовавших горных работах не сохранилась или не совсем полная.
Повторная разработка таких месторождений представляет собой no-существу разновидность комбинированной разработки, когда первичные и повторные горные работы разобщены во времени, но выполняются в пределах одних и тех же шахтных (карьерных) полей.
Намеченное к повторной разработке месторождение во всем остальном не отличается от других (т.е. еще не затронутых горны ми работами) и может осваиваться с помощью открытой, подземной и комбинированной технологий.
Однако следует подчеркнуть, что вследствие отмеченных ранее обстоятельств в геомеханическом отношении повторная разработка месторождений во многом аналогична комбинированной в части возникающих процессов, ситуаций и методов решения задач.
В связи с изложенным возникает следующее замечание. Иногда в комплекс повторной разработки включают переработку отвалов карьеров и рудников. Согласиться с этим нельзя, так как переработка отвалов не включает в себя процессов горных работ. А представляет лишь утилизацию отходов производства. Аналогичной процедуре подвергают также и отходы металлургических заводов, химических предприятий, теплоэлектростанций и т.п., эту процедуру к горному производству отнести уж никак невозможно.
Когда несколько лет назад автор выступал с докладом по этой теме, один из слушателей упрекнул его в том, что никакой новой концепции комбинированной разработки месторождений не было представлено. Несколько удивившись тогда такому восприятию доклада, автор заметил, что речь шла об особенностях комбинированного способа. Теперь можно добавить: об особенностях, совокупность которых является основанием для рассмотрения комбинированного способа в качестве самостоятельного способа освоения месторождения, отличающегося как от открытого, так и от подземного.
Таким образом, комбинированный способ — это не простое механическое сочетание одновременной или последовательной отработки одного месторождения открытым или подземным способами. Комбинированная разработка — это самостоятельная система освоения запасов полезных ископаемых на месторождении с присущей только ей идеологией горного производства, формирующей требования к закономерностям управления геомеханическими, технологическими и финансово-экономическими процессами.
Только такой подход позволяет выявить (увидеть) во всей полноте особенности комбинированного способа, использование которого повышает на порядок эффективность освоения месторождения, нежели любой из названных ранее способов. Рассмотрим и проанализируем некоторые особенности комбинированного способа разработки рудных месторождений.

• Спитакское землетрясение 7 декабря 1988 года
• Землетрясения на территории Республики Армения
• Краткий очерк о землетрясениях, происходящих на армянском нагорье и прилегающих территориях
• О поведении грунтов при землетрясениях
• Проявление эффекта землетрясения в эпицентральной зоне и в глубинных областях
• Вращательные движения грунта
• Горизонтальные и вертикальные ускорения грунта
• О сейсмическом микрорайонировании, влияние многослойной поверхностной толщи
• Задача усиления или ослабления сейсмического эффекта на поверхности земли
• Классификация грунтовых условий по сейсмическим свойствам

Вследствие многообразия схем комбинированной разработки, обусловленно­го различными возможными во времени и в пространстве комбинациями вариан­тов технологии открытых и подземных горных работ и физико-химических мето­дов добычи, они трактуются в горнотехнической литературе неоднозначно, в том числе по-разному рассматривается и само определение комбинированного спосо­ба разработки. В историческом аспекте под комбинированной разработкой пони­малось любое сочетание открытого и подземного способов добычи при разработ­ке одного и того же месторождения. При разделении способов разработки место­рождений на открытый, подземный, комбинированный, повторный, а также ге­отехнологический (специальные методы добычи) из всех возможных вариантов комбинированной разработки особо выделялась совместная разработка — выем­ка запасов руд в пределах одного месторождения одновременно открытым и под­земным способами. Было предложено понятие «повторная разработка» как добы­ча ранее потерянных руд подземным, открытым или физико-химическим спосо­бом. При этом в результате рассмотрения возможных комбинаций одновремен­ного выполнения открытых и подземных работ в пределах одного карьерного (или шахтного) поля были выделены следующие варианты способов освоения место­рождения:

совместная разработка, при которой верхнюю часть месторождения до определенной (технико-экономически обоснованной) глубины отрабатывают от­крытым способом, нижнюю часть — подземным, и горные работы в обеих частях ведут одновременно;

комбинированная разработка с первоначальной отработкой верхней части открытыми работами, а после их окончания — подземными;

повторная разработка месторождения после подземных работ подземным или открытым способом.

В соответствии с принятой классификацией горных наук и по аналогии с опре­делением комбинированных систем подземной разработки рудных месторожде­ний, сущность которых заключается в том, что часть залежи, подготовленная по единой схеме, делится на выемочные участки, отрабатываемые различными си­стемами разработки, комбинированная технология предполагает освоение запа­сов месторождения различными способами при единой схеме вскрытия и подго­товки.

Классификация возможных способов освоения запасов месторождения при­ведена на рис. 7.1. Комбинированная технология может быть представлена сово­купностью процессов физико-технических и физико-химических технологий при различных сочетаниях во времени и пространстве открытых и подземных работ. При этом обязательное условие обеспечения эффективного применения комби­нированной технологии — формирование единой схемы вскрытия и подготовки запасов на весь период эксплуатации месторождения при временной и простран­ственной увязке различных технологий в едином проекте освоения запасов.

Внедрение комбинированной технологии освоения запасов при единой схе­ме вскрытия и подготовки с размещением основных вскрывающих выработок с учетом перспективы развития горных работ позволит существенно снизить капи­тальные и эксплуатационные затраты предприятий. При этом карьерные транс­портные съезды и сам карьер следует рассматривать как вскрывающие выра­ботки. Такой опыт имеется как в отечественной, так и в зарубежной практике. Известен также положительный опыт использования подземных выработок для вскрытия глубоких горизонтов карьера.

Очевидно, что отказ от двух самостоятельных схем вскрытия шахтного и ка­рьерного полей путем применения единой схемы с комплексной увязкой техно­логий открытых и подземных работ, а в ряде случаев и физико-химических техно­логий в едином плане горных работ по освоению запасов месторождения, расши­рит область эффективного применения комбинированной технологии и позволит избежать негативных последствий перио-да перехода с одного вида горных работ на другой при рассмотрении их в раздельных проектах. Кроме того, при последо­вательной открыто-подземной технологии, а также при параллельной разработке запасов открытым и подземным способами имеется возможность отработки ча­сти запасов, расположенных в переходной зоне на границе карьерного и шахтно­го полей, комбинированным способом. В этом случае горные работы на выемоч­ном участке ведут единым фронтом очистных работ по единой технологической схеме, предполагающей комбинацию элементов различных физико-технических и физико-химических технологий.

Анализ отечественного и зарубежного опыта освоения месторождений ком­бинированным способом показал, что объектами комбинированных техноло­гий являются месторождения, обладающие определенным комплексом горно­геологических и экономических параметров: глубина распространения рудных тел; морфология, угол падения и мощность залежей; величина запасов; состоя­ние поверхности; минеральный состав полезных ископаемых; ценность полезных компонентов и их содержание; экологическая ситуация на территориях, примы- клюптих к fivAvniPMv mriHniiv ттоичипАПТОГ ппогнтнля гтрпрнк члгпячнрння ттпл-
земных и поверхностных вод, почвы, атмосферы; нарушения сложившегося ги­дробаланса; стоимость земель, подлежащих изъятию; возможность использова­ния формируемых полостей в горном массиве в качестве емко-стей для складиро­вания отходов; конъюнктура современного рынка и на перспективу.

Все месторождения по горно-геологическим условиям и эффективности спо­собов их разработки можно разделить на три группы, для которых:

выемка всех запасов открытым способом экономически нецелесообразна из-за превышения граничного коэффициента вскрыши;

комбинированная разработка позволяет увеличить годовые объемы до­бычи;

комбинированная разработка дает возможность снизить удельные затра­ты на добычу.

К первой группе относятся месторождения весьма ценного дефицитного сырья, потребности в котором неограниченны. Цены значительно превосходят удельные затраты на добычу как открытым, так и подземным способами, а воз­можности компенсации производ-ственных мощностей практически отсутству­ют. Основным требованием к освоению таких месторождений является обеспе­чение максимальных объемов добычи при минимуме потерь. К этой группе отно­сятся месторождения драгоценных камней и металлов, редких земель, некоторых цветных металлов. Данная группа месторождений, связанная с дефицитом пред­мета труда, ограниченными природными ресурсами, измеряемыми объемом запа­сов и величиной рудной площади, является определяющей при выборе комбини­рованного способа разработки на относительно небольших рудных площадях, что характерно главным образом для крутопадающих рудных месторождений.

Вторая группа включает месторождения распространенного сырья, спрос на которое определяется текущими нуждами потребителей. Цены превышают затра­ты на открытую разработку, но находятся в диапазоне изменения затрат при под­земной добыче. Имеются возможности компенсации дефицита добычных мощ­ностей, главным образом за счет подземной разработки. В этом случае необходи­мо обеспечить максимальный объем добычи при минимальных затратах. К дан­ной группе относятся месторождения черных и некоторых цветных металлов. Дефицит имеющихся средств на разработку месторождений и размер капвложе­ний играют определяющую роль при проектировании разработки таких место­рождений в условиях больших рудных площадей или «неограниченных» запасов, что характерно для пологопадающих залежей.

Третья группа представлена месторождениями весьма распространенных по­лезных ископаемых, потребности в которых ограничены, например, региональ­ными нуждами. Цены находятся в диапазоне изменения затрат при открытой до­быче. Имеются возможности компенсации недостающих производственных мощ­ностей за счет открытых работ. Основные требования к освоению таких место­рождений сводятся к обеспечению заданных объемов добычи при минимальных затратах. Основную массу месторождений этой группы составляют месторожде­ния строительных материалов. Для месторождений третьей группы наиболее пер­спективным вариантом является последовательная разработка, причем объектом непосредственного проектирования является карьер, а вопросы, связанные с под­земной добычей, могут рассматриваться в период затухания открытых работ или после их окончания. В этом случае особенности, обусловленные ведением откры­тых работ, учитывают в виде исходных данных при проектировании подземного рудника.

Учитывая существенное влияние на выбор способа освоения участков место­рождения качественного состава и горно-геологических условий залегания, а также месторасположения запасов относительно контура карьера и необходимость учета последнего фактора при расчете параметров элементов систем разработки в соот­ветствии с горным терминологическим словарем, целесообразно все запасы, осваи­ваемые комбинированной технологией, разделить на четыре группы (рис. 7.2 и 7.3): карьерные, расположенные в пределах карьерного поля, ограниченные предель­ным контуром карьера; открыто-подземные, осваиваемые комбинацией технологи­ческих процессов открытых и подземных горных работ и непосредственно выходя­щие в предельный контур карьера; шахтные, расположенные в пределах шахтно­го поля и осваиваемые подземной технологией; забалансовые — некондиционные руды, отработка которых экономически нецелесообразна.

Рис. 7.2. Классификация запасов месторождений, осваиваемых комбинированной

технологией

При выемке карьерных и открыто-подземных запасов формируется единое карьерное пространство, ограниченное новым положением предельного контура карьера, имеющего более крутые углы в основании. Последнее обеспечивается технологическими и техническими особенностями взаимно благоприятного вли­яния совместного применения в переходной зоне технологических процессов от­крытых и подземных работ.

Шахтные запасы, расположенные в пределах шахтного поля, делятся по по­ложению относительно контура карьерного пространства на прикарьерные 4, 5 и удаленные от карьера 6 (рис. 7.3, см. вкл.). Выемка удаленных от карьера запасов не требует корректировки технологиче-ских решений, принимаемых при подзем­ной отработке запасов. Отработка прикарьерных запасов осуществляется в зоне влияния карьера на напряженно-деформированное состояние массива, может со­провождаться выходом подземных блоков в карьерное пространство и приводить к возникновению гидро- и аэродинамиче-ских связей подземных выработок с ат­мосферой карьера. При обосновании параметров отработки указанных запасов следует учитывать эти особенности.

Прикарьерные запасы по положению относительно контура карьерного про­странства делятся на прибортовые 4, расположенные в бортах, и подкарьерные 5, находящиеся ниже уровня предельного положения дна карьера.

Карьерные, открыто-подземные и шахтные запасы по возможности освоения г изико-техническими методами делятся на извлекаемые и неизвлекаемые (про­ектные потери и эксплуатационные потери отбитой руды).

Проектные и эксплуатационные потери совместно с некондиционными руда­ми, которые либо отличаются низким содержанием полезных компонентов, либо расположены в неблагоприятных для отработки физико-техническими технологи­ями зонах, — маломощные участки (выклинки) или руды, залегающие в неблаго­приятных горно-геологических условиях, образуют запасы, являющиеся объектом освоения комбинированной физико-химической технологией, предусматриваю­щей изменение агрегатного состояния полезных компонентов и выдачу их по тру­бам или скважинам на поверхность для последующей переработки.

Комплексный открыто-подземный способ разработки предполагает два эта­па развития открытых работ. На первом этапе открытая разработка начинается на одном из флангов месторождения и осуществляется утлубочной поперечной одно- бортовой системой с внеш-ним отвалообразованием. После достижения карьером заданной глубины на этом фланге рудного тела открытые работы переходят на попе­речную однобортовую систему с постоянной рабочей зоной и внутренним отвало­образованием и развиваются в дальнейшем в горизонтальном направлении. Фронт горных работ в карьере перемещается от одного фланга к другому по простиранию залежи. После подвигания рабочего борта на 150 — 200 м у нижней границы карье­ра в торцовой части нерабочего борта проходят восстающий, который соединяет дно карьера, и подземный концентрационный горизонт, предварительно сформи­рованный в его основании. Сериями вертикальных скважин восстающий расши­ряют в отрезную щель, ориентированную вкрест простирания рудного тела на всю его мощность. Далее рудную толщу, расположенную между дном карьера и подзем­ным концентрационным горизонтом, обуривают на всю высоту с применением ка­рьерной буровой техники. Осуществляется одностадийная выемка полезного иско­паемого, включающая взрывание рудной толщи на всю высоту, выпуск и транспор­тирование руды через подземные выработки к рудовыдачным стволам. В результа­те образуется уступ открыто-подземного яруса (ОПЯ), который отрабатывают вслед за подвиганием фронта открытых горных работ с заданным отставанием в плане.

Запасы, расположенные ниже ОПЯ, отрабатывают подземным способом. При этом образуется единое выработанное пространство карьера, ОПЯ и подземных очистных работ. Оно используется в качестве емкости для складирования пород вскрыши, поступающих из карьера. Такая технология горных работ позволяет от­работать переходную зону, разделяющую карьер и подземный рудник, одним усту­пом большой высоты с минимальным объемом вскрышных работ. Обеспечивается возможность наиболее эффективно использовать карьерную буровую технику и подземный транспорт при отработке запасов ОПЯ. Подземный концентрацион­ный горизонт может быть использован для выдачи руды, по-ступающей с нижних горизонтов карьера.

После отработки переходной зоны и размещения пород вскрыши в едином выработанном пространстве создаются условия для применения на подземных ра­ботах систем с обрушением руды. При этом выпуск руды осуществляется под на­легающими породами внутреннего отвала.

Таким образом, комплексный открыто-подземный способ добычи заключает­ся в разработке месторождения по глубине тремя ярусами: первый отрабатывает­ся открытыми работами до их проектной глубины; второй (ОПЯ) — одним высо­ким уступом без разноса бортов карьера с использованием карьерной и подзем-, ной буровой техники и выпуском руды в подземные выработки; третий — под­земными работами. Между карьером и подземными работами образуется по вер­тикали единое выработанное пространство. Размещение в образующемся еди­ном выработанном пространстве карьера ОПЯ и подземных горных работ вну­треннего отвала вскрышных пород повышает устойчивость массива за счет при- грузки бортов выработанного пространства (рис. 7.4-7.8, см. вкл.).

Характерными особенностями комплексного открыто-подземного способа, которые необходимо учитывать при проектном обосновании параметров разра­ботки крутопадающих залежей, являются: наличие единого выработанного про­странства, обеспечивающего размещение вскрышных пород во внутренних от­валах; отработка переходной зоны от открытых работ к подземным горным ра­ботам одним уступом большой высоты с использованием карьерной и подземной буровой и транспортной техники; рациональная взаимоувязка технологических схем открытого и подземного способов добычи в процессе разработки месторож­дения.