Комбинированная геотехнология при освоении алмазоносного месторождения трубки «Удачная»


Д.Р.Каплунов, чл.-корр. РАН, проф., д.т.н.,
М.В.Рыльникова, проф., д.т.н. (ИПКОН РАН),
В.Н.Калмыков, проф., д.т.н. (Магнитогорский ГТУ),
Ю.А.Петров, В.А.Суслов, (Удачнинский ГОК)

Исследованиями и практикой разработки месторождений полезных ископаемых доказано, что применение комбинированных технологий при освоении рудных месторождений различной морфологии, по сравнению с традиционной последовательной открыто-подземной отработкой месторождений, позволяет снизить общие объемы вскрыши в контуре карьера, уменьшить ареал нарушений окружающей природной среды, повысить интенсивность, полноту и качество выемки рудных залежей, обеспечить в целом более высокие технико-экономические показатели и эффективное воспроизводство выбывающих мощностей [1].

Комбинированная геотехнология предполагает разработку месторождений, сочетающую элементы открытой, подземной, а в ряде случаев, и физико-химической технологии, увязанных во времени и в пространстве путем создания единой схемы вскрытия и подготовки запасов на весь период разработки и обеспечивающих долговременное эффективное и экологически сбалансированное извлечение полезных ископаемых из недр с получением высококачественного товарного продукта [2].

Характерной особенностью комбинированной геотехнологии является наличие единого технологического пространства карьера и подземного рудника. Несопоставимо большие размеры карьера по сравнению с подземными очистными пространствами предопределяют, что технологические схемы освоения отдельных участков месторождений комбинированной геотехнологией должны быть дифференцированы в зависимости от расположения этих участков относительно контура карьерной выемки. При этом, одним из основных вопросов комбинированной разработки является вопрос отработки запасов переходной зоны вблизи границы открытых и подземных работ, технологические решения которой, по нашему мнению, должны быть выделены в самостоятельный проект.

Карьер должен рассматриваться в качестве основной вскрывающей выработки для освоения подкарьерных запасов, что предполагает размещение в нем перегрузочных пунктов, вентиляционных установок, поддержание карьерных съездов на длительный период эксплуатации. В свою очередь, выработки подземного рудника используются для решения вопросов осушения и вентиляции глубокого карьера, укрепления откосов его бортов, обуривания труднодоступных рудных участков и их взрывания, а также в качестве запасного выхода из карьерного пространства, через который может осуществляться также доставка в карьер вспомогательных материалов и выдача добытой рудной массы.

Основными задачами переходного периода от открытых горных работ к подземным, наряду с постепенным возмещением выбывающих мощностей карьера и наращиванием производственной мощности подземного рудника, является создание благоприятных условий для отработки нижележащих запасов подземного рудника в части надежной изоляции подземных выработок от очистного пространства карьера, паводковых и ливневых стоков, воздействия от обрушающихся с бортов оползневых масс. Весьма важным является также апробация технологий, реализуемых в будущем на подземном руднике, и установление их рациональных параметров, выбор способа управления горным давлением, испытания технологического оборудования, формирование и подготовка производственного коллектива, способного решать достаточно сложные задачи комбинированной отработки подкарьерных запасов.

Эти принципы комбинированной геотехнологии были положены в основу разработки технологических рекомендаций по отработке запасов первой очереди подземного рудника «Удачный» в переходный период от открытых горных работ к подземным.

При разработке технологических решений учитывались специфические условия освоения алмазоносных месторождений Якутии: сложная морфология кимберлитовых трубок; наличие глубоких карьеров с малыми размерами в плане и крутыми откосами бортов; геотермическое состояние рудного массива и вмещающей толщи; наличие мощных водоносных горизонтов весьма изменчивого водопритока, часто содержащего газонасыщенные рассолы с высокой минерализацией; криогентность горного массива; газо- и битумонасыщенность глинистых разновидностей пород; низкая прочность вмещающих пород и кимберлитов; склонность отбитой руды к слеживаемости, размокаемости и смерзаемости; высокая экологическая чувствительность региона к любым техногенным воздействиям; высокая ценность сырья; суровый климат; территориальная отдаленность.

Перечисленный сложный набор специфических условий разработки обуславливает отсутствие аналогов технологических решений в мировой практике. В свою очередь, особенности освоения алмазоносного месторождения трубки «Удачная» не позволяют напрямую перенести накопленный АК «АЛРОСА» опыт эксплуатации запасов за контуром карьера «Айхал», подземной отработки трубки «Интернациональная» и возведения системы «сухой консервации» на карьере «Мир».

К особенностям освоения трубки «Удачная» следует отнести необходимость обеспечения производственной мощности рудника не менее 4 млн.т/год; относительно невысокую ценность кимберлитового сырья; наличие сверхглубокого карьера (600 м) с большой площадью в основании; крутые углы откосов уступов бортов в основании карьера; сложную форму трубки, разветвляющейся на два рудных тела (Восточное и Западное), разделенных породной перемычкой; наличие рудных треугольников за предельным контуром карьера в основании бортов; присутствие в массиве карстовых полостей, пустот и каверн; изменчивость водопритока, содержащего газонасыщенные рассолы с минерализацией до 440 г/дм3; невыдержанные прочностные характеристики кимберлитов Западного и Восточного рудного тела (коэффициент крепости по шкале М.М. Прото-дьяконова изменяется в пределах 2-14) и изменчивые параметры структурной нарушенности массива; отсутствие местных материалов для приготовления твердеющей закладочной смеси.

Рис. 1 Технологическая схема I этапа отработки переходной зоны слоями с закладкой (1) и с открытым в карьер очистным пространством (2), 3 — вентиляционные восстающие, 4 — наклонный съезд

Рис. 2 Технологическая схема II этапа отработки переходной зоны слоями с закладкой (1) и с открытым в карьер очистным пространством (2), 3 - искусственный целик-перекрытие

 

В тоже время для трубки «Удачная» не являются характерными смерзаемость и неоднородность рудной массы после отбойки, низкая дренирующая способность взорванной рудной массы и стекающих с бортов карьера пульпообразных масс, неоднородных по консистенции, склонность пород массива к развитию неупругих деформаций, выявленные в ходе опытно-промышленной апробации комбинированных технологий с обрушением руды на месторождении «Айхал». Так, выполненный на Удачнинском руднике эксперимент по перепуску рудной массы показал, что кимберлиты данного месторождения на верхних горизонтах, вследствии их высокой засоленности, не склонны к слеживаемости, смерзанию, размоканию в широком диапазоне исследуемых температур. Поэтому, с учетом результатов проведенного эксперимента, а также согласно заключению ВНИМИ по устойчивости бортов карьера и сдвижению массива в районе капитальных шахтных стволов, можно предполагать, что на верхних горизонтах Удачнинского месторождения (до отм. -330 м) возможно применение систем с обрушением руды. Использование этого класса систем ниже дна карьера в отм. -290/-380 м нецелесообразно ввиду неизбежности разрыва в добыче руды при переходе с открытого способа на подземный. Кроме того, в этом случае не решается вопрос о создании надежной изоляции выработок подземного рудника от аэрогидродинамических связей с атмосферой карьера, так как высока вероятность затопления рудника в период паводка и ливневых дождей за счет большой площади водосбора карьера и опрокидывания вентиляционной шахтной струи ввиду прососа холодного воздуха из карьера через зону обрушения. Для реализации технологий с обрушением руды необходимо применение специального оборудования.

Таким образом, в соответствии с горно-геологическими условиями месторождения и необходимостью ограничения деформаций в районе шахтных стволов, основные запасы первой очереди подземного рудника в отм. -580/-380 м должны отрабатываться системой разработки с закладкой выработанного пространства, обеспечивающей требуемые безопасность горных работ, полноту и качество извлечения запасов.

Согласно принятым концептуальным принципам комбинированной геотехнологии, для исключения разрыва в добыче руды на месторождении после завершения открытых горных работ на отм. -290 м и обеспечения безопасности работ и планового набора мощности подземного рудника, предложено выделить технологию отработки переходной зоны в донной части карьера в отм. -380/-290 м и запасов, оставленных в бортах карьера, в отдельный проект. При этом технология и режим отработки рудных запасов в период перехода на подземный способ добычи должны максимально использовать естественную несущую способность криогенного горного массива.

 

Рис. 3 Выемка рудных «треугольников» над искусственным целиком

Рис. 4 Завершение работ по отработке запасов переходной зоны:

1 - искусственный целик-перекрытие; 2 - откос открыто-подземного яруса; 3 - рудные «треугольники» на Западном рудном теле

С учетом расположения нижней части капитальной траншеи преимущественно на восточном фланге, для сохранения карьерного транспортного съезда отработку запасов Восточного рудного тела предложено начать, с горизонта -390 м в восходящем порядке слоевыми системами с композиционной закладкой из сыпучих дробленых пород вскрыши, локально упрочненных твердеющим составом (рис. 1). Очистные работы ведутся с применением комбайнов, а на отдельных, особо крепких участках, буровзрывным способом. Технология подачи закладочных материалов поточная с применением конвейеров и мощных насосов. Параллельно выемку Западного рудного тела осуществляют горизонтальными слоями в нисходящем порядке с открытым в карьер очистным пространством и применением малогабаритного и мобильного оборудования открытых и подземных горных работ. Рудная масса автосамосвалами небольшой грузоподъемности доставляется на перегрузочный склад, оборудованный на северном борту вблизи штольни на отм. -170 м, и затем большегрузными самосвалами транспортируется на поверхность. Для активизации воздушной струи в карьере используется подогретый шахтный воздух, подаваемый по вентиляционным восстающим. Осушение запасов Западного и Восточного рудных тел в зоне открытых и подземных горных работ производится с помощью подземных дренажных камер, располагаемых в породной перемычке. Одновременное использование в качестве транспортных выработок карьерного съезда, наклонного подземного съезда в северном борту карьера и капитальных выработок будущего подземного рудника позволяет варьировать и выбирать оптимальную схему доставки рудной массы из различных зон горных работ и обеспечивает запасной выход на случай неблагоприятного развития геомеханической ситуации на локальном участке массива.

После создания в Восточном рудном теле изолирующего перекрытия, мощность которого определяется геомеханическими расчетами по фактору надежной защиты выработок подземного рудника в условиях «сухого» или «мокрого» карьера, производят перетрассировку карьерного съезда с переориентацией его на запад и приступают к созданию на Западном рудном теле искусственного перекрытия путем восходящей слоевой выемки руды комбайнами системами с композиционной закладкой под охраной временной рудной изолирующей корки (рис. 2). В это время рудный целик, оставленный в верхней части Восточного рудного тела, отрабатывается из карьера малогабаритным оборудованием нисходящими горизонтальными слоями с обеспечением устойчивости откосов за счет объемных сил при малом радиусе кривизны поверхности. На этом этапе работ, рудная масса может транспортироваться как по карьерному съезду, так и перепускаться по рудоспуску, пройденному в породной перемычке, на гор. -380 м с выдачей шахтным подъемом.

После полной отработки запасов рудного целика с выходом на искусственный целик, приступают к отбойке запасов «рудных треугольников», оставленных в основании бортов. Обуривание массива осуществляется скважинами малого диаметра из подземных выработок и с поверхности, с отбойкой руды на открытое пространство небольшими прирезками (рис. 3). Развал рудной массы, аккумулируемой на искусственной потолочине, частично разбирается экскаватором и вывозится автосамосвалами на перегрузочный пункт. В труднодоступных участках под откосом работают подземные погрузочно-доставочные машины с дистанционным управлением. Развитие работ осуществляется по периметру борта от центра к флангам. Отработка запасов производится с формированием по породному массиву единого откоса открыто-подземного яруса.

После завершения работ на восточном фланге приступают в выемке запасов рудных треугольников и рудной изолирующей корки на Западном рудном теле по вышеописанной технологии (рис. 4). На этом этапе работ карьерный съезд прекращает эксплуатироваться. Доставка руды осуществляется по подземным транспортным выработкам. Недостаток производственной мощности рудника при отработке запасов «рудных треугольников» компенсируется за счет параллельного развития работ на первом эксплуатационном горизонте - 480 м с выемкой руды слоевыми системами с композиционной закладкой, апробированными на этапе создания искусственной потолочины.

Для минимизации деформаций подрабатываемых массивов бортов карьера при выемке руды системами с закладкой предлагается использовать идею профессора Н.Ф. Замесова об отказе от сплошной послойной отработки и переходе на камерно-целиковую выемку запасов первоначально заходками первой очереди с развитием работ в восходящем порядке по вертикали. Подрабатываемый массив на этой стадии отработки поддерживается рудными целиками. После осуществления дозаклади при отработке заходок верхнего слоя, приступают к выемке вторичных захо-док, заполняемых сыпучей закладкой.

Рис. 5 Ленточно-целиковая система разработки с композиционной закладкой:

1 - несущий слой; 2 - неупрочненная сыпучая масса;

3 - сыпучая масса, упрочненная твердеющим составом;

4 - дозакладка твердеющей смесью

Для сокращения дополнительных прогонов комбайнов и затрат на поддержание подготовительных выработок, предлагается отработку запасов вести циклами по три слоя (рис. 5). Первоначально осуществляется отработка в направлении снизу вверх трех слоев заходок первой очереди с заполнением выработанного пространства сыпучей закладкой, упрочненной твердеющим составом в местах технологического обнажения: в основании этажа создается несущий слой, на боковых обнажениях прочность массива должна обеспечивать устойчивость при подработке смежными заходками и в верхней части закладочный массив должен обеспечить условия благоприятного перемещения комбайнов. При ведении работ в верхнем слое необходимо качественное проведение мероприятий по дозакладке выработанного пространства. После отработки всех заходок первой очереди приступают к извлечению запасов вторичных заходок с заполнением выработанного пространства сыпучими породами вскрыши, упрочненными только на уровне несущего слоя горизонта. Затем цикл работ повторяется в трех последующих вышележащих слоях.

С учетом того, что свойства закладочного массива на различных участках должны обеспечивать разные технологические требования, предлагается создавать композиционный закладочный массив с заданными деформационными и прочностными свойствами из пород, разделенных по гранулометрическому составу на мелкую, среднюю и крупную фракции и локально упрочненных твердеющим инъекционным составом [3].

Для формирования повышенной проницаемости массива на боковых обнажениях в заходках первой очереди используются насыпные породы, состоящие из крупной (4-6 см) и мелкой (до 1 см) фракции, с исключением из шихты среднего класса. За счет эффекта сегрегации при размещении пород в выработке мощными насосами крупная фракция будет преимущественно распределяться на периферии очистного пространства, формируя зоны повышенной пустотности, заполняемые подающимся сверху на сыпучий материал твердеющим составом. Мелкая фракция будет преимущественно осаждаться в центре массива, что обеспечивает большую жесткость и соответственно несущую способность искусственного целика в центральной части и минимизацию деформаций подрабатываемого массива на стадии отработки запасов заходок второй очереди. Выработанное пространство последних заполняется сыпучим материалом, представленным породами средней фракции (1-4 см), что позволяет перемещаться по нему комбайном без дополнительного упрочнения почвы твердеющим составом. Таким образом, в заходках второй очереди твердеющая смесь до-закладывается под кровлю только самого верхнего слоя. Это способствует сохранению подрабатываемого массива и обеспечивает возможность отработки трех вышележащих слоев со смещением осей выработок, что также придает большую жесткость формируемой горной конструкции. Описанная технология формирования закладочного массива требует проведения исследований по подбору состава фракционированной сыпучей и твердеющей смеси, опытно-промышленной апробации, геомеханического обоснования.

Риск реализации технологий при работе под достаточно крутыми откосами бортов обуславливает необходимость разработки системы оперативного в режиме реального времени мониторинга в технологическом пространстве карьера и подземного рудника места нахождения рабочих, оборудования и состояния элементов массива. Это становится возможным путем создания системы кабельной индикации в подземных выработках в едином комплексе с приемниками GPS на поверхности с выводом информации на дисплей для оперативного управления. Внедрение такой системы позволит также управлять рудопотоками с открытых и подземных работ с целью обеспечения заданного качества рудной массы, подаваемой на обогатительный передел.

Достоинством описанной выше стратегии освоения месторождения трубки «Удачная», наряду с явным технологическим и геомеханическим преимуществом по сравнению с принятой в проекте системой разработки с обрушением, является существенное сокращение капитальных затрат за счет отказа от промежуточного концентрационного горизонта - 480 м, подземных дробильных комплексов, упрощения схемы капитальных выработок и движения транспорта, что в свою очередь повлечет уменьшение срока ввода рудника в эксплуатацию; возможность предотвращения разрыва в добыче руды, опытно-промышленной апробации и накопление опыта внедрения нетрадиционных технологий закладки выработанного пространства, увеличение дисконтированного дохода подземного рудника за счет снижения себестоимости добычи руды в переходной зоне.

Для реализации этих преимуществ необходимо ускорить принятие решения о выборе технологии отработки I очереди подземного рудника, провести предпроектные исследования технологии формирования композиционного закладочного массива, решить вопрос создания системы комплексного мониторинга гидрогеологических, геомеханических и производственных элементов подземного рудника будущего, построенного на основе современных достижений горных наук и технологий.

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

ЛИТЕРАТУРА:

1. Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли /РАН, АГН, РАЕН, МИА: Под ред. К.Н. Трубецкого. - М.: Изд-во Академии горных наук. 1987. - 478 с.

2. Каплунов Д.Р., Калмыков В.Н., Рыльникова М.В. Комбинированная геотехнология. - М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2003. - 560 с.

3. Рыльникова М.В., Калмыков В.Н. Мещеряков Э.Ю. Геомеханическая оценка композитных разнопрочных закладочных массивов // Проблемы геотехнологии и недроведения (Мельниковские чтения): Сб. науч.тр., Екатеринбург: УрО РАН, 1998, т. 3.

Журнал "Горная Промышленность" №4 2005