Инновации при проектировании алмазорудных карьеров в криолитозоне
И.В. Зырянов, д-р техн. наук, зам. директора по науке
А.Н. Акишев, канд. техн. наук, нач. отдела открытых горных работ
И.Б. Бокий, канд. физ.-мат. наук, зав. лаб. геомеханики
И.Ф. Бондаренко, канд. техн. наук, ученый секретарь Институт «Якутнипроалмаз» АК «АЛРОСА» (ПАО)
Горно-геологические и природно-климатические особенности коренных алмазоносных месторождений Якутии создают уникальные по своей сложности условия ведения горных работ, осложненных целым рядом факторов: большой глубиной разработки, криогенностью горного массива, наличием мощных высоконапорных водоносных горизонтов и т.д.
В этих условиях предельные параметры устойчивых бортов и уступов, продольные уклоны и параметры транспортных съездов, технологии «безлюдной» выемки руды во многом определяют экономическую целесообразность разработки того или иного месторождения, а следовательно, должны быть научно обоснованы.
При этом одной из главных задач Компании является поддержание и расширение минерально-сырьевой базы (МСБ) своих предприятий, в том числе за счет вовлечения в разработку месторождений более бедных руд или характеризующихся сложными геологическими и горнотехническими условиями. Эффективная и максимально полная отработка таких объектов недропользования, как правило, возможна лишь с использованием инновационных технологий, которые должны быть не только обоснованы, но и стать действующей нормой.
В ближайшей перспективе действующие карьеры будут доработаны до проектных границ, где крайне необходимы технологии и проектные решения, обеспечивающие безопасность и приемлемые операционные затраты, а также возникает вопрос о доработке ряда месторождений на всю глубину разведанных запасов. В этих условиях поиск новых геотехнологий для разработки подкарьерных запасов месторождений становится приоритетной научной задачей.
Одной из проблем разработки месторождений алмазов является опережающий объективный рост затрат по сравнению с ростом стоимости продукции. Себестоимость единицы продукции имеет устойчивую тенденцию к росту, это и инфляция (среднегодовая в 4,8%), и ухудшающиеся с глубиной горнотехнические условия, замещение открытых горных работ подземными (как известно, в наших условиях себестоимость 1 карата в подземных условиях в 10 раз выше, чем при открытой разработке. Затраты на энергию в шесть раз выше). Производительность труда в тоннах на 1 работника в семь раз ниже, чем в карьерах. Стоимость же единицы продукции растет в среднем на 2,5% в год на десятилетнем горизонте.
Учитывая, что открытая добыча на ближайшее десятилетие будет составлять 50% от общего объема, то открытые горные работы стали основным вектором в повышении эффективности в АК «АЛРОСА».
Несмотря на то что в Компании накоплен значительный опыт разработки кимберлитовых месторождений открытым способом с высокими эксплуатационными показателями, необходим поиск новых технических решений, позволяющих повысить экономическую эффективность добычи, в первую очередь за счет сокращения объемов вскрыши в 5–7 раз [3, 4].
АК «АЛРОСА» обладает достаточно большим опытом проектирования и внедрения инновационных разработок, подтвержденных десятками патентов, авторских свидетельств, реализацией многочисленных новых технических и технологических решений. Внедрение на объектах Компании уникальных технологий и современной горнотранспортной техники способствует существенному повышению эффективности открытого способа добычи, в том числе за счет оптимизации параметров карьеров (конструирование транспортных съездов с более крутыми уклонами, чем общепринятые; формирование более высоких уступов с предельными по устойчивости углами погашения), а также обеспечения безопасных условий ведения работ в потенциально опасных зонах за счет применения дистанционного управления (безлюдные технологии).
В последние годы при строительстве карьеров не используются наклонные бермы, их заменили сочетанием крутонаклонных и горизонтальных берм. До 60–80% высоты нерабочего борта вскрывается системой встречных съездов, в том числе и с однополосным движением автотранспорта. Широкое внедрение гидравлических экскаваторов с прямой и обратной лопатой привело к необходимости корректировки параметров системы разработки и конструкции рабочих уступов. Все вновь запроектированные карьеры отрабатывают с предельной по горнотехническим условиям производительностью по добыче руды. При этом скорость понижения добычных работ увеличилась до 20–24,5 м в год.
В настоящее время все вновь проектируемые карьеры отстраиваются с предельными по прочностным свойствам параметрами нерабочих уступов: высота от 45 до 90 м, с углом погашения 75–80°. Продольные уклоны транспортных берм в глубинных частях карьеров увеличены с 8 до 20–25%, что в три раза выше нормативных показателей (рис. 1).
Отработка карьеров ведется поэтапно с отстройкой промежуточных контуров, количество которых на крупных карьерах достигает 4–5 [3]. Опыт открытой отработки коренных месторождений алмазов показывает, что глубину практически всех отрабатываемых кимберлитовых карьеров неоднократно пересматривали в сторону ее увеличения (рис. 2).
К настоящему времени проектная глубина карьеров составляет от 400 до 720 м, что в 1,5–2 раза превышает первоначально принятую в проектах [4–6]. В зависимости от размеров поперечного сечения рудного тела и ценности руды проектная глубина карьеров соответствует граничному коэффициенту вскрыши от 15,5 до 24 м3/м3 [7].
Конструирование нерабочих бортов в условиях Якутии основывается на максимальном использовании прочностных свойств мерзлых пород с разработкой новых подходов, расчетных схем и методик оценки устойчивости уступов и бортов нетрадиционной конструкции, вплоть до нерабочих уступов вертикального профиля. За последние 15 лет выполнено более 20 тысяч лабораторных определений физикомеханических показателей и более 120 натурных испытаний в бортах карьеров и подземных выработках на всех алмазных месторождениях. На базе этих данных обоснованы параметры всех действующих и проектируемых алмазорудных карьеров и внешних отвалов вскрышных пород.
Генеральные углы наклона бортов отрабатываемых карьеров составляют от 37 до 57°. При этом в нижней части угол наклона бортов достигает 56–66°. Профиль нерабочих бортов, как правило, двух- или трехгранный с крутой нижней частью и выположенной верхней. Все большее распространение получают нерабочие уступы полигонального профиля и в отдельных случаях уступы с вертикальным профилем высотой до 45–90 м (рис. 3, табл. 1).
Внедрение на объектах Компании инновационных технологий и современной горнотранспортной техники способствует существенному повышению эффективности открытого способа добычи, в первую очередь за счет оптимизации параметров карьеров (конструирование более узких транспортных съездов с более крутыми уклонами, чем общепринятые; формирование высоких уступов с предельными по устойчивости углами погашения за счет учета фактора мерзлоты).
К примеру, в «АЛРОСА» эксплуатируются карьеры с шириной транспортных берм 28–30 м (для автосамосвалов грузоподъемностью 90–136 т), в то время как действующие нормы требуют применения берм шириной не менее 36–38 м [6]. Для полускальных пород прочностью до 80 МПа, характерных для алмазорудных карьеров, принятые в проектах углы наклона нерабочих встроенных уступов составляют 75–80°, согласно действующим нормам технологического проектирования (НТП) они не должны превышать 55–65°.
К примеру, внедрение крутонаклонного вскрытия в комбинации с новой конструкцией уступов на карьере «Удачный» обеспечило сокращение объема вскрыши на 20 млн м3.
Внедрение системы дистанционного управления технологическим оборудованием и процессами добычи руды позволило повысить полноту выемки и обеспечить безопасность ведения горных работ [8]. Так, доработка рудных целиков на том же карьере «Удачный», выполненная с применением внедренной технологии, обеспечила дополнительную добычу более 2 млн т руды.
Проблема оптимизации конструкций бортов карьеров всегда актуальна для открытых горных работ, особенно для месторождений с пониженной ценностью алмазного сырья, и неразрывно связана с возможностью радикального сокращения затрат на эксплуатацию месторождения за счет снижения объемов вскрышных работ либо увеличения доли отработки запасов месторождения открытым способом при экономически приемлемом коэффициенте вскрыши. Выбор возможного варианта позволяет формировать предельные борта карьера с обоснованием их параметров и конструкций, оптимальных по отношению к инженерно-геологическим и геомеханическим условиям конкретных участков массива.
Установлено, что наиболее радикальным для снижения объемов вскрышных работ является применение новых конструкций бортов карьеров, максимально адаптированных к условиям криолитозоны Якутии за счет отстройки сверхвысоких уступов высотой 90–180 м, формируемых вертикальными подуступами высотой 30–45 м, разделенными горизонтальными технологическими бермами шириной 7–10 м и защитными устройствами, располагаемыми в основании сверхвысокого уступа для улавливания осыпей и безопасной эксплуатации автотранспорта.
В целом при реализации новых конструкций бортов и уступов, новых геомеханических подходов возможно повышение генерального угла наклона бортов до 66–70° при сокращении объемов вскрышных работ на 30–50%.
Рационализировать конструкцию бортов с целью оптимизации угла его откоса можно путем отстройки нерабочих уступов на каждом погашаемом горизонте (участке борта) с параметрами, соответствующими свойствам и структуре горных пород, за счет:
• применения инженерных мероприятий, направленных на предотвращение осыпеобразования и локальных обрушений уступов или улавливание осыпей, не изменяя конструкции борта;
• расположения транспортных берм и технологических площадок на участках, где необходима разгрузка борта (преимущественно в границах призмы активного давления);
• придания предохранительным бермам минимально необходимой ширины путем применения «щадящей» технологии при их нарезке;
• сокращения времени стояния бортов в предельном положении на участках месторождения, сложенных менее прочными породами (выбора соответствующих схем вскрытия и направления развития горных работ).
Таким образом, увеличение объемов добычи руды наиболее дешевым открытым способом позволяет вовлечь в отработку глубокие горизонты месторождений алмазов и месторождения с низкой стоимостью товарной продукции, что возможно при внедрении:
• новых схем вскрытия с использованием крутонаклонных выработок, в том числе тоннельного типа;
• нестандартных конструкций уступов и бортов карьера с повышенным углом откоса;
• технологии внутреннего отвалообразования на дне карьера;
• безлюдной выемки с использованием дистанционного управления горным оборудованием;
• специальных видов транспорта, в том числе башенных надвижных подъемников при бестраншейном вскрытии горизонтов;
• углубочных комплексов при доработке карьеров;
• новых принципов формирования рабочей зоны кимберлитовых карьеров;
• комбайнового способа добычи руды;
• первичного обогащения руды на борту карьера;
• альтернативных видов энергии.
В последние годы в связи с развитием подходов к конструированию и определению параметров новых комбинированных геотехнологий наметилась тенденция отхода от традиционного комбинированного открыто-подземного способа отработки коренных месторождений алмазов. Это связано с резким увеличением потенциала открытых горных работ за счет внедрения целого ряда новых технологических решений в части схемы вскрытия и конструкции борта карьера и применения горнотранспортного оборудования с новыми возможностями.
Это является основанием для отказа от дорогостоящих и экономически низкоэффективных традиционных способов отработки месторождений за счет перехода на эффективные геотехнологии, обеспечивающие максимальное и эффективное использование георесурса.
В настоящее время требует решения проблема доработки законтурных запасов руды ряда алмазорудных месторождений, залегающих ниже предельных границ карьеров, где добывать традиционным открытым методом уже невозможно, а строить рудник экономически нецелесообразно. К примеру, сюда можно отнести проблему отработки запасов руды месторождений Нюрбинского ГОКа, где эффективная глубина открытой разработки определена в 570 м при глубине подсчета запасов 750 м, отработка которых в указанном диапазоне глубин традиционными способами экономически неэффективна.
Выемку запасов руды в указанном диапазоне глубин предлагается вести геотехнологии открытой разработки месторождений, включающей комбинированный способ вскрытия с изменяемой геометрией профиля борта карьера [1]. Согласно данной технологии выемка запасов глубоких горизонтов месторождения предполагается открытым способом с применением буровзрывного метода отбойки горной массы и последующей транспортировкой карьерными автосамосвалами грузоподъемностью 38 т по подземным выработкам, обеспечивающим внутрикарьерную транспортную связь с внутрикарьерной перегрузочной площадкой, на которой порода перегружается в большегрузные самосвалы САТ-777 грузоподъемностью 90 т и транспортируется на поверхность.
Для этого на завершающей стадии с борта карьера проходится подземный спиральный транспортный съезд до глубины 750 м, из которого впоследствии по зарезкам планируется попадать во внутреннее пространство карьера (рис. 4) [2].
Расчеты показывают, что внедрение инновационной технологии позволяет уменьшить объем вскрыши в 3–8 раз относительно традиционных способов вскрытия и конструкции борта, при этом эффективность технологии увеличивается с увеличением глубины отработки.
Таким образом, исследования открывают путь к созданию высокоэффективной технологии, которая дает возможность экономически эффективно доработать запасы руды, находящиеся за предельным контуром алмазорудных карьеров, что позволит пересмотреть концепцию отработки ряда алмазорудных месторождений.
Кроме того, предлагаемая геотехнология стимулирует внедрение передовых технологий и современного горнотранспортного оборудования, систем мониторинга состояния массива, искусственного укрепления откосов уступов, применение системы дистанционного управления и новых подходов к строительству внутрикарьерных коммуникаций, обеспечивающих для Компании технологическое лидерство в области открытых горных работ, повышение безопасности и эффективности отработки месторождений.
В то же время практическая реализация всех возможностей современных технологий алмазодобычи во многом сдерживается несовершенством существующей нормативноправовой базы и, в первую очередь, норм технологического проектирования. Принятие инновационных технических и технологических решений в представляемых проектах на Главгосэкспертизу, как правило, встречает серьезное сопротивление, поскольку экспертиза опирается в основном на нормативную базу 30–40-летней давности, не отвечающей тенденциям развития современной горной науки и новой техники. Проекты приходится порой просто «подгонять » под устаревшие нормы.
Для успешного и эффективного внедрения инновационных решений в практику проектирования и эксплуатации горных предприятий необходимо разработать понятную и достаточно простую процедуру согласования отступлений от действующих устаревших норм и правил, ввести современные, возможно более гибкие нормы проектирования, упростить процедуры внесения изменений и корректировок в проектную документацию, тем самым предоставить бульшую свободу недропользователю в выборе технических и технологических решений в зависимости от горно-геологических, горнотехнических и экономических условий разработки месторождений.
Компанией «АЛРОСА» принято решение разработать Национальный стандарт РФ «Правила проектирования алмазодобывающих предприятий, расположенных в криолитозоне, разрабатываемых открытым способом» (актуализация ВНТП 35–86). Стандарт позволит упростить процедуру реализации инновационных решений в алмазодобыче и обеспечить повышение эффективности и конкурентоспособности отечественной алмазодобывающей промышленности. В настоящее время институтом Якутнипроалмаз и ведущими научными организациями РФ разработана первая редакция проекта национального стандарта, и это является пионерным опытом бизнеса в создании в РФ основополагающего документа, регламентирующего процесс проектирования отрытых горных работ алмазных месторождений в сложных условиях криолитозоны.
Разработанный стандарт базируется на апробированных технических решениях открытой разработки алмазорудных месторождений в условиях Якутии и новых перспективных решениях, принятых в последнее время, а также на многолетнем опыте проектирования и ведения горных работ на всех этапах их развития – от строительства карьера до его ликвидации [10–14]. При этом использован значительный объем объективной информации на основе оценки фактического состояния бортов карьеров и результатов внедрения в производство большого числа разработок, направленных на улучшение конструкции нерабочих бортов, схем вскрытия, порядка отработки и технологии горных работ в районах Крайнего Севера, где климатические и природные условия, относящиеся к разряду экстремальных, оказывают непосредственное влияние на параметры отработки месторождений.
Стандарт устанавливает все необходимые современные требования к проектной документации на строительство, реконструкцию, расширение или техническое перевооружение алмазодобывающих предприятий с открытым способом разработки, основные мероприятия по охране окружающей природной среды, гражданской обороне, предупреждению чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, мероприятия по противодействию терроризму (ПМ ГОЧС), обеспечению пожарной безопасности.
При пересмотре норм были учтены произошедшие изменения в национальных стандартах и нормативной документации, регламентирующей составление проектов, а также достигнутый прогресс в области техники и технологии ведения открытых горных работ.
Стандарт разработан впервые и не имеет отечественных и зарубежных аналогов. Он не противоречит действующим в Российской Федерации стандартам и сводам правил. Документ утвержден Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии (приказ №309-ст от 05 июня 2018 г.) и будет введен в действие 1 января 2019 г.
