Ресурсосберегающие технологии при разработке полезных ископаемых

А.М.Фрейдин, д.т.н, А.И.Быкадоров, к.т.н.,

С.А.Неверов, асп., А.А.Неверов, асп., Институт горного дела СО РАН

Сибирь и Дальний Восток России располагают значительным количеством рудных месторождений, многие из которых (более 30) разрабатываются подземным способом. При этом, в общем балансе добычи полезных ископаемых в стране, за Уралом производится основное количество алмазов, платины, золота, серебра, олова, меди, никеля, цинка, свинца и т.д.

Проводимые в стране радикальные реформы с переходом к рыночной экономике, кризисные явления в производстве и финансовой системе в период 1991–2000 гг. особенно отрицательно повлияли на горнодобывающие предприятия этого богатого региона. Резкое сокращение инвестиций, географическая отдаленность с неблагоустроенной инфраструктурой, сложности природно-климатических условий, в первую очередь, сказались на деятельности этих капиталоемких производств.

В течение последних 10–12 лет годовая производительность многих подземных предприятий сократилась практически в два раза. Для поддержания конкурентоспособности своей продукции рудники вынуждены были вырабатывать наиболее ценные по качеству руды, интенсивно увеличивать глубину горных работ, вовлекать в отработку рудные залежи, расположенные под охраняемыми объектами.

Большинство крупных предприятий Сибири и Дальнего Востока ведут добычу руд на глубинах свыше 500 м, что обусловило проявление горного давления в статической и динамической форме. На месторождениях Норильского региона при глубине разработок до 1.5 км, Горной Шории (900 м) и Дальнего Востока (1000 м) зарегистрированы горные удары с энергией до 107–109 Дж [1, 2]. Наблюдается увеличение объемов разрушения горных выработок, потери устойчивости целиков, возрастают трудности в обеспечении безопасности горных работ.

Повышение качества добываемого сырья, полноты извлечения его из недр, экологической чистоты и безопасности горных работ, особенно на больших глубинах, как показывает практика рудников ОАО «ГМК «Норильский никель» [1], достигается при различных вариантах технологии добычи с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями. Однако высокая себестоимость добычи не позволяет широко использовать эту технологию при разработке полезных ископаемых даже средней валовой ценности. Поэтому ряд подземных рудников вынуждены отказаться от этой прогрессивной технологии и изыскивать менее затратные технологические решения.

Учитывая состояние подземных рудников ИГД СО РАН на основании современных тенденций развития ресурсосберегающих геотехнологий разработал и обосновал новые варианты систем разработки, которые, по нашему мнению, помогут решить скопившиеся проблемы на добывающих предприятиях.

Для мощных и весьма мощных пологопадающих залежей предложен вариант сплошной камерной системы разработки с выемкой по схеме камера-целик и обрушением кровли [4]. Рудное тело разбивается на блоки (рис. 1), включающие камеру и целик. После отработки камеры обрушается целик, выпуск руды которого осуществляется под защитой породной консоли. По завершении выпуска руды производят обрушение породной консоли и приступают к отработке следующего блока.

Технология осваивается на Николаевском руднике ОАО «ГМК Дальполиметалл», разрабатывающем месторождение полиметаллических руд средней ценности. Мощность залежи весьма сложной формы изменяется от 4–6 до 60–70 м, угол падения – до 15°, контакты – четкие, извилистые. Руды и вмещающие породы склонны к разрушению в динамической форме [2]. Горизонтальная составляющая тензора напряжений превышает δН в 1.5–2.5 раза.

В соответствии с проектом залежь отрабатывалась системой подэтажных штреков с камерно-целиковым порядком выемки с закладкой первичных камер бетоном и вторичных – породами из проходческих забоев. Опыт применения этой технологии выявил ряд существенных недостатков: сравнительно высокие нормативы подготовленных и готовых к выемке запасов и, соответственно, большой объем требуемых оборотных средств; преждевременное разрушение целиков (вторичных камер) и вызываемые этим сложности при их извлечении; высокое разубоживание руды бетоном при отработке вторичных камер, что снижало извлечение металлов при обогащении. С ростом стоимости цемента, транспортных расходов на его доставку, для поддержания конкурентоспособности продукции при существующей системе разработки предприятие вынуждено было бы повысить почти в 2 раза кондиционные требования к добываемой руде. Это вызвало бы сокращение балансовых запасов рудника на 35–40% и заметно ухудшило его технико-экономические показатели.

Геомеханическое обоснование параметров нового варианта системы разработки [5] позволило рекомендовать для проведения промышленных испытаний ширину камеры 20–22 м, целика – 18–20 м, высоту зоны обрушения пород кровли >40 м (для глубины отработки в 900 м и мощности залежи в 40 м). Освоение предложенной технологии позволило снизить затраты на добычу руды на 23.4% и увеличить прибыль на 1 т балансовых запасов (до уплаты налогов) на 13.5% (табл. 1).

Для отработки крутопадающих мощных и средней мощности рудных тел обоснован вариант сплошной камерной системы разработки с выпуском руды из-под подконсольного пространства [5]. Геомеханическое и технико-экономическое обоснование применения этой технологии выполнено для условий вольфрамово-медного месторождения «Восток-2», отнесенного к угрожаемым по горным ударам. Мощность основной залежи месторождения изменяется от 3 до 20 м (в среднем 10–12 м), угол падения от 85 в центре до 50 на флангах. Кварц-сульфид-шеелитовые руды характеризуются высокой хрупкостью. Вмещающие породы средней трещиноватости, средней устойчивости и неустойчивые.

Отработка штольневых горизонтов месторождения осуществлялась системой разработки подэтажными штреками с камерно-целиковым порядком выемки с использованием самоходного оборудования. Накопленный опыт выявил ряд существенных недостатков применяемой системы разработки. Двухстадийный порядок горных работ обусловил низкую интенсивность очистной выемки и, как следствие, большие объемы обрушений пород висячего блока, а в отдельных случаях – провалы потолочного целика. Поэтому на руднике были установлены сравнительно высокие нормативы подготовленных (18 мес.) и готовых (9 мес.) к выемке запасов. С переходом на шахтные горизонты проектом предусматривалась закладка первичных камер твердеющими смесями, вторичных – породами из отвалов прошлых лет.

Отличительной особенностью разработанного варианта (рис. 2) является отбойка и выпуск руды сплошным фронтом без междукамерных целиков. Выемка камерных запасов производится под защитой потолочины, погашение которой выполняется регулярно слоями, равными толщине слоя отбойки надштрекового целика над горизонтом выпуска. Погашение потолочины должно осуществляться с отставанием от зоны основной выработки генерального выпуска руды. При соблюдении этих условий перепускаемые с верхних горизонтов обрушенные породы минимально смешиваются с рудой, отбиваемой в камере.

Направленное взрывание и взрыводоставка руды потолочного целика неизбежно сопровождается потерями части полезного ископаемого на откосе налегающих пород (рис. 2, поз. 6). Исследования на моделях и выполненные расчеты показали, что потери руды на откосе пород при мощности рудного тела 8–10 м составляют 10–18% от запасов руды в потолочине; при мощности 10–20 м – от 5 до 12%. Минимальные потери достигаются при площадно-торцовой технологии выпуска руды [7].

Начатые промышленные испытания технологии, к сожалению, были прерваны из-за отсутствия сбыта вольфрамового концентрата. Тем не менее, выполненные эксперименты в небольших масштабах, проектная проработка позволяют отметить ряд достоинств обсуждаемого варианта системы разработки: увеличивается объем камерной выемки в 1.25–1.3 раза, снижаются объемы проходки восстающих выработок в 1.6–1.7 раза, уменьшаются площади обнажения бортов камеры в 1.7–2.0 раза.

В Алтае-Саянском районе Сибири имеется ряд крупных железорудных месторождений для подземной добычи руд (Белорецкое, Инское, Одиночное, Анзаское, Рубежное, Чесноковское и др.), освоение которых совместно с действующими рудниками создает устойчивую сырьевую базу Западно-Сибирского металлургического комплекса. Месторождения представлены весьма мощными залежами (до 100 м и более) крутого и наклонного падения. Содержание металла в рудах относительно невысокое. Значительная часть балансовых запасов сосредоточена в слепых рудных телах на глубинах 200–400 м и более и залегает под руслами рек и объектами гражданского и промышленного назначения.

Месторождения располагаются в сейсмоактивном регионе и характеризуются высокими тектоническими полями напряжений, в которых вне зоны влияния очистных работ горизонтальные составляющие напряжений в 1.4–3.0 раза больше вертикальных. На Таштагольском и Шерегешском рудниках ежегодно регистрируются сотни динамических проявлений горного давления с сейсмической энергией 1010 Дж [8].

Отработка месторождений региона осуществляется системой этажного обрушения с вибровыпуском руды. Этому варианту присущи общеизвестные недостатки: применение переносного горного оборудования; постоянное пребывание горнорабочих в призабойной зоне при сложной геомеханической обстановке; высокая концентрация опорного давления в призабойной зоне, провоцирующая динамические явления повышенной энергетической мощности. Расчеты, выполненные методом конечных элементов [9], показали, что при системе подэтажного обрушения с торцовым выпуском руды концентрация опорных нагрузок на конструктивные элементы системы снижается на 40% по сравнению с этажным обрушением.

Уровень производительности труда на рудниках Горной Шории значительно уступает зарубежным аналогам. На лучших из них – Шерегешском и Абаканском производительность рабочего по системе разработки составляет 25 т/чел.см., что заметно ниже, чем на рудниках, применяющих самоходное оборудование в аналогичных горно-геологических условиях.

В рыночной экономике весьма важным недостатком этой технологии являются также повышенные требования к нормативам подготовленных и готовых к выемке запасов. Расчеты, выполненные по методике [10], показали, что при одной и той же производительности рудника система этажного обрушения требует оборотных средств в 1.4–1.6 раза больше, чем при подэтажной выемке.

Рудные залежи месторождений имеют весьма сложные формы с большим объемом породных включений. При общем разубоживании руды 30–35% доля породных прослоев достигает 70%. С увеличением глубины горных работ объемы породных прослоев в балансовых запасах (по данным В.С.Шеховцова) возрастают, и можно ожидать роста разубоживания и, соответственно, снижения содержания металла в руде.

Отмеченные выше недостатки существующей технологии добычи железных руд вызывает необходимость проработки концепции о техническом перевооружении и реконструкции рудников с переходом на отработку месторождений комплексами самоходного оборудования [10]. На наш взгляд горно-геологическим и геомеханическим условиям месторождений наиболее соответствует система подэтажного обрушения с торцевым выпуском руды.

Из всех вариантов класса систем разработки с обрушением руды и вмещающих пород данная геотехнология наиболее перспективна для глубоких горизонтов. Ее отличает простота и гибкость, возможность достоверно разведывать контуры рудных тел сложного строения. Основные процессы проходки выработок и очистной выемки выполняются высокопроизводительным самоходным оборудованием, отсутствуют всякого рода целики, воронки, тупиковые сбойки. Динамичное и интенсивное перемещение фронта очистных работ, систематическое обновление массива торца выработки выпуска, небольшие масштабы взрывов облегчают управление горным давлением и сокращают затраты на поддержание доставочных ортов.

В этой связи прорабатывается геотехнология, которая позволяет осуществлять вентиляцию горизонта выпуска за счет общешахтной депрессии и повысить извлечение отбитой руды [11]. Отличительной особенностью системы разработки является дополнительная проходка между ортами погрузочных заездов (рис. 3). Выпуск руды осуществляется по площадно-торцовой схеме. Чистый воздух поступает в отрабатываемую панель и через заезды «выбрасывается» в отрезной штрек. Расчетные сравнительные показатели по системе разработки приведены в табл. 2.

В связи с отставанием строительства новых горизонтов подземные рудники Горной Шории вынуждены вовлекать в отработку слепые залежи под охраняемыми объектами. Общие принципы ведения горных работ в этих условиях известны и сводятся к применению геотехнологий с закладкой выработанного пространства, обеспечивая допустимые сдвижения и деформации подрабатываемого массива. В качестве материала закладки чаще всего используются твердеющие смеси, приготовленные из специально добываемого заполнителя и цемента. Широко используются также отвальные продукты, горные породы из проходческих забоев с последующим упрочнением искусственного массива вяжущими растворами.

Вместе с тем, системы разработки с закладкой требуют крупных капитальных вложений на строительство закладочного хозяйства и, как показывает практика, значительного периода времени. При сложившемся дефиците финансовых средств для рудников особую значимость приобретает поиск и обоснование менее затратных технологических решений, способных обеспечить безопасность ведения горных работ.

Разработан ресурсовоспроизводящий способ выемки слепых рудных залежей под охраняемыми объектами [12]. Отличительной особенностью технологии является сохранение устойчивости подрабатываемого массива путем оставления барьерных целиков в сочетании с закладкой выработанного пространства некондиционной рудой, добываемой из ранее отработанных блоков системой разработки с обрушением руды и вмещающих пород.

Технология рекомендована для освоения при отработке весьма мощной крутопадающей залежи рудника Шерегешский, залегающей под рекой. При длине рудного тела около 400 м установлено, что при двух барьерных целиках, пролете между ними до 100 м и сухой закладке выработанного пространства материалом с усадкой до 40% деформации растяжения поверхности остаются меньше критических и отсутствует опасность выхода провалов на поверхность. Установлено, что при глубине горных работ 300–500 м в условиях рудников Горной Шории барьерные целики шириною 40 м во всех сечениях сжаты и имеют запас прочности при сухой закладке 3.5 и более.

Достоинствами технологии закладки некондиционной рудой являются: ускоренный ввод участка в эксплуатацию без капитальных вложений на строительство закладочного комплекса, сравнительно простая и надежная схема производства закладочных работ, снижение потерь и разубоживания при отработке междукамерных целиков и потолочин (табл. 3). Разубоживание при выпуске происходит с привнесением металла.

Используя некондиционную руду для целей закладки отработанного пространства между барьерными целиками, практически сохраняются подготовительные выработки, и формируется новое техногенное месторождение, которое, в перспективе, со снижением кондиций, подготовлено к повторной разработке.

Таким образом, главной особенностью сырьевой базы подземных рудников черной и цветной металлургии Сибири и Дальнего Востока является устойчивая тенденция к увеличению глубины горных работ и усложнению горнотехнической и геомеханической обстановки при добыче руд. Уровень концентрации напряжений в массиве на больших глубинах обусловливает необходимость перехода на технологии со сплошной выемкой и прямолинейным фронтом очистных работ. Системы разработки со сплошной слоевой или камерной выемкой с закладкой выработанного пространства в широком диапазоне горнотехнических условий позволяют не только обеспечить безопасность горных работ, уменьшить вероятность горных ударов, но и значительно повысить качество и полноту извлечения запасов из недр, что приобретает все большую значимость в конкурентной борьбе за рынки сбыта. Неизбежное ужесточение законодательства в области экологической безопасности также будет способствовать расширению сферы применения этих технологий.

Для отработки руд малой и средней ценности предложены варианты сплошной камерной системы разработки с выпуском руды из подконсольного пространства, которые отвечают принципам ведения горных работ на больших глубинах и позволяют повысить качество извлечения полезных ископаемых по сравнению с системами с обрушением руды и вмещающих пород.

Для рудников черной металлургии Западной Сибири наиболее актуальны задачи коренной реконструкции технологии с освоением комплексов самоходного оборудования и системы разработки подэтажным обрушением с торцовым выпуском руды.

С целью сокращения сроков ввода в эксплуатацию крутопадающих слепых рудных залежей, залегающих под охраняемыми объектами на глубине до 500 м, целесообразно использовать камерно-целиковую схему выемки с оставлением барьерных целиков и закладкой выработанного пространства некондиционными рудами, добываемыми из отработанных блоков соседних участков, применяющих системы разработки с обрушением руды и вмещающих пород. При этом создаются условия для формирования техногенного месторождения.    

Журнал “Горная Промышленность” №6 2003