Выбор стратегии развития горного предприятия с учетом экологических ограничений (на примере месторождения известняка)

А.В. Соколовский¹, М.А. Терешина¹, В.А. Пикалов¹, В.Ю. Заляднов^2
1 ООО «НТЦ-Геотехнология», г. Екатеринбург, Российская Федерация
² Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, г. Магнитогорск, Российская Федерация
Горная Промышленность №4 / 2022 стр. 75-81

Резюме: Современные рыночные условия характеризуются изменчивыми ценами и спросом на сырье. Поэтому освоение многих крупных месторождений полезных ископаемых на территории Российской Федерации связано с необходимостью разработки стратегии развития предприятия, которая включает решение комплекса проектных задач по обеспечению эффективности производства в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях с учетом природных и экологических ограничений, а также устойчивости и жизнеспособности предприятия в течение длительного периода. В статье представлен один из подходов, применяемых при выборе стратегии развития горного предприятия с учетом экологических ограничений. На примере месторождения известняка, название которого в статье изменено в связи с условиями конфиденциальности, описаны варианты технологических решений, связанных с осушением его запасов. Реализация данных решений направлена на развитие и увеличение срока жизни горного предприятия, митигацию экологических рисков и реализацию природоохранных мероприятий. Произведена систематизация способов защиты карьера от подземных вод по осложняющим факторам. Дана укрупненная технико-экономическая оценка представленным вариантам стратегических решений.

Ключевые слова: стратегия развития, горное предприятие, экологические факторы, горно-геологические условия, гидрогеологические условия, осушение, запасы

Для цитирования: Соколовский А.В., Терешина М.А., Пикалов В.А., Заляднов В.Ю. Выбор стратегии развития горного предприятия с учетом экологических ограничений (на примере месторождения известняка). Горная промышленность. 2022;(4):75–81. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2022-4-75-81

Информация о статье

Поступила в редакцию: 30.06.2022

Поступила после рецензирования: 21.07.2022

Принята к публикации: 22.07.2022

Информация об авторах

Соколовский Александр Валентинович – доктор технических наук, член совета директоров, генеральный директор, ООО «НТЦ-Геотехнология», г. Екатеринбург, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Терешина Мария Александровна – кандидат экономических наук, финансовый директор, ООО «НТЦ-Геотехнология», г. Екатеринбург, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Пикалов Вячеслав Анатольевич – доктор технических наук, руководитель отдела, ООО «НТЦ-Геотехнология», г. Екатеринбург, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Заляднов Вадим Юрьевич – кандидат технических наук, доцент кафедры разработки месторождений полезных ископаемых, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, г. Магнитогорск, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Введение

В современных рыночных условиях горнодобывающие предприятия подвержены колебанию цен и спроса на производимое сырье. Наличие устойчивых технологический связей, обеспеченность собственной сырьевой базой и долгосрочным рынком сбыта в этом случае являются важными стратегическими преимуществами. Для сохранения устойчивости функционирования многие предприятия изыскивают возможности развития сырьевой базы за счет открытия новых месторождений либо пересмотра кондиций и увеличения глубины отработки запасов. При втором варианте, как правило, осложняются горно-геологические и гидрогеологические условия, возрастает труднодоступность участков недр, горные работы приближаются к различного рода охранным зонам. Инвестиционные проекты по освоению глубоких горизонтов месторождений во многом сдерживаются рисками принятия нерациональных проектных решений, а также недостаточной проработкой вариантов стратегических направлений развития горных работ и их экономической оценки [1–5].

На стадии проектирования карьеров со сложными условиями разработки важна проработка максимального количества вариантов технологических решений по ряду важных вопросов, существенно влияющих на эффективность разработки: увеличение результирующих углов бортов карьера; осушение карьерного поля; исключение влияния горных работ на охраняемые объекты. Принятые решения должны обеспечивать оптимальные затраты на освоение месторождения, учитывая перспективы развития самого горного предприятия, его интеграцию в перерабатывающую промышленность, социальные и экологические условия, а также требования законодательства, прежде всего природоохранного [6–11].

Выбор стратегии развития, параметров разработки и технологии осушения карьера со сложными геологическими и гидрогеологическими характеристиками рассмотрен на примере месторождения известняков «Западное» ^{* В связи с условиями конфиденциальности названия объектов изменены}.

Особенности разработки месторождения

Месторождение известняков «Западное» находится вблизи крупного промышленного города. С обеих сторон месторождения расположены водотоки, представленные двумя полноводными реками (р. «Большая» и р. «Малая») рыбохозяйственного назначения, имеющими существенное социально-экологическое значение.

Месторождение эксплуатируется в течение семидесяти лет, разрабатывается открытым способом. Проектная мощность карьера составляет 5 млн т известняка в год.

Добытый известняк поставляется на нужды цементной промышленности и является основным (системообразующим) источником сырья. Поэтому обеспечение долгосрочности и устойчивости добычи известняков является основой для жизнеспособности крупного промышленного узла и города в целом.

Месторождение известняков «Западное» до разработки было нагорного типа, в виде горы, вытянутой в северо-западном направлении с поперечником в основании 1,0–1,2 км.

Абсолютная отметка глубины отработки по гидрогеологическим условиям принята по урезу реки «Малая», которая формирует основной водоносный горизонт.

На текущий момент большая часть запасов до конечной глубины карьера отработана. В связи с тем что освоение новых близлежащих месторождений невозможно, встает вопрос освоения запасов месторождения ниже уровня водоносного горизонта.

Известняки ниже горизонта уреза воды реки «Малая» сильно обводнены и имеют прямую связь с другими водоносными горизонтами, развитыми в районе месторождения. Это обуславливает определяющее влияние подземных вод на карьерные водопритоки при дальнейшей углубке [12].

Результаты расчетов и опытно-фильтрационных работ показывают, что при понижении горных работ на 60 м ниже уреза воды в реке «Малая» водоприток увеличится с 40 тыс. м³/сут до 140 тыс. м³/сут. По мере углубки карьера при вскрытии каждого следующего горизонта (высота уступа 15 м) водоприток возрастет на 30–35 тыс. м³/сут.

Подобные водопритоки являются нехарактерными по своему объему для открытых горных работ и требуют принятия масштабных инновационных решений по их снижению. Стандартные решения по откачке вод являются технологически неэффективными.

Кроме поиска технических и технологических решений по снижению водопритоков в карьер, необходимо учитывать химический состав карьерных и дренажных вод, для приведения которого по содержанию вредных веществ до уровня, предъявляемого к водам рыбохозяйственного значения, потребуются мероприятия по многоступенчатой очистке для последующего сброса в гидрографическую сеть [13] либо мероприятия по утилизации карьерных и дренажных вод [14–17].

Таким образом, необходима разработка стратегии развития горных работ, включающая:

– выбор варианта мероприятий по снижению влияния близости рек к горным работам;

– выбор варианта решения по сокращению водопритоков;

– проработку решений по очистке карьерных вод для соблюдения природоохранного законодательства.

При выборе стратегии необходимо обеспечить устойчивую, экологически безопасную и эффективную отработку запасов с учетом требований основных стейкхолдеров.

Варианты развития горных работ с учетом экологических ограничений

Исходя из условий, рассмотренных в предыдущем разделе, при проработке стратегических решений по дальнейшему освоению месторождения приняты во внимание следующие осложняющие факторы:

1. Близкое расположение рек «Малая» и «Большая» и угроза подтопления карьера как в период половодья, так и через аллювиальную толщу.

2. Прямая гидравлическая связь подземных вод с поверхностными водами рек «Малая» и «Большая».

3. Сложный химический состав подземных вод, требующий их утилизации или многоступенчатой очистки до норм рыбохозяйственных характеристик, для возможности последующего сброса в ближайшие водотоки.

Таблица 1 Укрупнённые варианты защиты карьера месторождения известняков «Западное» от поверхностных и подземных вод

Table 1 Consolidated options for surface and groundwater protection of the Zapadnoe limestone open pit

Для каждого фактора с использованием результатов ранее проведенных исследований и опыта предприятий-аналогов были выполнены анализ и оценка возможных решений.

В данной статье решения по водоочистке не рассматривались, так как они будут определяться по результатам реализации мероприятий по сокращению водопротоков и уточнению количества поступающей воды на очистные сооружения.

Рис. 1 Схема вариантов защиты карьера от подземных вод при углубке карьера ниже водоносного горизонта

Fig. 1 Flowchart of groundwater protection options for sinking the open pit below the aquifer level

В результате сформировано поле вариантов по сокращению водопритоков, которые приведены в табл. 1 и на рис. 1.

Рис. 2 Варианты строительства руслоотводов

Fig. 2 Options for construction of the diversion channels

Для снижения риска подтоплений и сокращения влияния рек были рассмотрены решения по строительству защитных дамб и отводу русел (рис. 2):

1. Отвод русел за пределы депрессионной воронки в местах максимального приближения рек к участку горных работ.

2. Строительство противофильтрационной завесы (ПФЗ) для исключения протечек воды через аллювиальную толщу.

3. Бурение контура водопонижающих скважин (ВПС), обеспечивающего перехват поступающей в карьер подземной воды.

4. Открытый водоотлив, позволяющий откачивать поверхностную и подземную воду, поступающую в карьер.

Оценка вариантов и выбор стратегии развития горного предприятия

Технико-экономическая оценка рассматриваемых вариантов осушения карьера и его дальнейшей углубки выполнена по стандартной методике с использованием дисконтирования. Для сравнения вариантов были оценены суммарные (эксплуатационные и инвестиционные)

затраты на реализацию мероприятий по отводу русел рек и осушению с учетом срока отработки месторождения. Для корректного сравнения вариантов был построен график дисконтированных совокупных затрат накопленным итогом по вариантам (рис. 3). Ставка дисконтирования принята на уровне 10%.

Рис. 3 Динамика совокупных затрат с учетом дисконтирования (ставка дисконтирования 10%)

Fig. 3 Evolution of total costs with discounting (10% discount rate)

Исходя из критерия минимума совокупных затрат с учетом дисконтирования наилучшим вариантом можно признать Вариант 3, предусматривающий организацию магистрального руслоотвода рек «Малая» и «Большая» с разноской бортов и строительством противофильтрационной завесы.

Остальные рассмотренные варианты (Варианты 1, 2.1, 2.2) характеризуются высокими эксплуатационными затратами.

В результате расчетов установлено, что несмотря на значительные экологические ограничения и необходимость существенных капитальных вложений для минимизации их влияния реализация рассматриваемых решений по отводу русел и снижению водопритоков в горную выработку позволит нарастить запасы и увеличить срок службы на 17–20 лет.

Выводы

1. Имеющиеся на сегодняшний день данные по геологическому и гидрогеологическому изучению месторождения «Западное» позволяют оценить гидрогеологические условия месторождения как весьма сложные. Привлекательность отработки обводненной части месторождения без реализации масштабных мероприятий по снижению притока подземных вод в карьерную выработку – низкая из-за высокого риска подтопления карьера подземными водами.

2. Предварительная оценка рассмотренных вариантов защиты карьера «Западный» от поверхностных и подземных вод показала, что решения по снижению водопритоков есть, и наиболее оптимальным является вариант с магистральными руслоотводами рек «Малая» и «Большая» с применением двойного кольца противофильтационной завесы.

3. Для реализации варианта строительства магистрального руслоотвода рек «Малая» и «Большая» необходимо обязательно предусмотреть мероприятия по сохранению естественной среды обитания рыб.

4. Достижение максимальной эффективности от предлагаемых мероприятий возможно только при одновременном выполнении двух условий:

– организация магистрального отвода рек южнее действующего карьера;

– создание противофильтрационной завесы вокруг карьера, отстроенного на полное извлечение запасов в проектном контуре.

5. Комплексная реализация решений по осушению месторождения «Западное» позволит значительно нарастить запасы известняка за счет вовлечения в отработку запасов ниже водоносного горизонта и продлить срок службы карьера на срок не менее 17–20 лет.

Список литературы

1. Соколовский А.В., Заляднов В.Ю., Томилина Н.Г., Егоров В.В. Выбор стратегии развития и параметров системы разработки Мокулаевского месторождения известняков. Горный журнал. 2021;(9):28–33. https://doi.org/10.17580/gzh.2021.09.05 Sokolovskiy A.V., Zalyadnov V.Yu., Tomilina N.G., Egorov V.V. Selection of strategy and mining system for Mokulaevskoe limestone deposit. Gornyi Zhurnal. 2021;(9):28–33. (In Russ.) https://doi.org/10.17580/gzh.2021.09.05

2. Заляднов В.Ю., Гавришев С.Е., Михайлова Г.В., Кадеров С.С., Коваленко Н.В. Обоснование стратегии развития горнодобывающих предприятий на основе анализа доходности и риска при аутсорсинге и диверсификации. Горная промышленность. 2021;(4):134– 139. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2021-4-134-139 Zalyadnov V.Yu., Gavrishev S.E., Mihailova G.V., Kaderov S.S., Kovalenko N.V. Justification of the development strategy of mining enterprises on the basis of analysis of profitability and risk in outsourcing and diversification. Russian Mining Industry. 2021;(4):134–139. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2021-4-134-139

3. Корнилов С.Н., Гавришев С.Е., Калмыков В.Н., Гоготин А.А., Петрова О.В., Пыталев И.А. Изыскание эффективных вариантов отработки железорудных месторождений Бакальского рудного поля. Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2012;(1):5–10. Режим доступа: http://vestnik.magtu.ru/images/data_base/2012_1/%D0%92%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%BD%D0%B8%D0%BA_2012_1_%D1%81_005-010.pdf Kornilov S.N., Gavrishev S.E., Kalmykov V.N., Gogotin A.A., Petrova O.V., Pytalev I.A. Research of effective variants of working off iron ores deposits Bakals of an ore field. Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University. 2012;(1):5–10. (In Russ.) Available at: http://vestnik.magtu.ru/images/data_base/2012_1/%D0%92%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%BD%D0%B8%D0%BA_2012_1_%D1%81_005-010.pdf

4. Fourie G.A., Dohm G.C. Open pit planning and design. In: Kennedy B.A. (ed.) Surface Mining. 2nd ed. Colorado: Society for Mining, Metallurgy and Explorettion Inc.; 1990. P. 1274–1301.

5. Mendoza J.-M.F., Feced M., Feijoo G., Josa A., Gabarrell X., Rieradevall J. Life cycle inventory analysis of granite production from cradle to gate. The International Journal of Life Cycle Assessment. 2014;19(1):153–165. https://doi.org/10.1007/s11367-013-0637-6

6. Дабиев Д.Ф., Чульдум А.Ф. Оценка инвестиционного потенциала региона с преимущественно минерально-сырьевой ориентацией при различных сценариях освоения минеральных ресурсов. Фундаментальные исследования. 2020;(12):57–62. https://doi.org/10.17513/fr.42909 Dabiev D.F., Chuldum A.F. Evaluation of investment potential of the region with a predominantly raw-material orientation under different scenarios of development of mineral resources. Fundamental Research. 2020;(12):57–62. (In Russ.) https://doi.org/10.17513/fr.42909

7. Пономаренко Т.В., Хан-Цай Е.А. Анализ проблем реализации горных стратегических инвестиционных проектов в современных российских условиях. Управление экономическими системами. 2016;(6):36–44.

8. Добровольский А.И., Леонов Е.И., Кутовой А.В., Заляднов В.Ю., Караулов Н.Г., Юсупов М.Э. Повышение эффективности разработки угольного разреза за счет оптимизации технологических параметров в сложных горно-геологических условиях. Уголь. 2019;(10):72–78. https:/doi.org/10.18796/0041-5790-2019-10-72-78 Dobrovolskiy A.I., Leonov E.I., Kutovoy A.V., Zalyadnov V.Yu., Karaulov N.G., Yusupov M.E. Increasing the efficiency of developing a coal mine by optimizing technological parameters in difficult mining and geological conditions. Ugol. 2019;(10):72–78. (In Russ.) https:/doi.org/10.18796/0041-5790-2019-10-72-78

9. Исайченков А.Б., Леонов Е.И., Кутовой А.В., Галимьянов А.А., Заляднов В.Ю., Караулов Н.Г. Обоснование рациональных параметров рабочей зоны при отработке разреза «Буреинский». Уголь. 2020;(11):22–28. https://doi.org/10.18796/0041-5790-2020-11-22-28 Isaychenkov A.B., Leonov E.I., Kutovoy A.V., Galimyanov A.A., Zalyadnov V.Yu., Karaulov N.G. Justification of rational parameters of working zone during mining in “Bureinsky” open-pit mine. Ugol. 2020;(11):22–28. (In Russ.) https://doi.org/10.18796/0041-5790-2020-11-22-28

10. Гавришев С.Е., Бурмистров К.В., Колонюк А.А. Интенсивность формирования рабочей зоны глубоких карьеров. Магнитогорск: МГТУ им. Г.И. Носова; 2013. 187 с.

11. Ghorbani Y. , Kuan S.H. A review of sustainable development in the Chilean mining sector: past, present and future. International Journal of Mining, Reclamation and Environment. 2016;31(2):137–165. https://doi.org/10.1080/17480930.2015.1128799

12. Arteaga F., Nehring M., Knights P. The equipment utilisation versus mining rate trade-off in open pit mining. International Journal of Mining, Reclamation and Environment. 2017;32(7):495–518. https://doi.org/10.1080/17480930.2017.1306674

13. Lolcama J.L., Cohen H.A., Tonkin M.J Deep karst conduits, flooding, and sinkholes: lessons for the aggregates industry. Engineering Geology. 2002;65(2–3):151–157. https://doi.org/10.1016/S0013-7952(01)00122-3

14. Yakovlev E., Malov A., Druzhinin S., Zykova E., Malkov A., Bedrina D. Distribution of trace metals and an environmental risk assessment of the river sediments in the area of the Lomonosov diamond deposit (NW Russia). Environmental Science and Pollution Research. 2020;27(28):35392–35415. https://doi.org/10.1007/s11356-020-09809-7

15. Emilia-Cornelia D., Rusu T., Ciolea D.I., Rusu T.A. Assessment of pollution and environmental risk of mine acid waters from contaminated mining sites on surface waters in the brad perimeter. In: Proceedings of the 19th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2019, 30 June – 6 July, 2019. P. 47–54. https://doi.org/10.5593/sgem2019/5.1/S20.006

16. Vojteková Ja., Vojtek M., Boltižiar M. Impact of mining activities and natural hazards on land use: a case study from slovakia. In: Proceedings of the 5th International Multidisciplinary Scientific Conference on Social Sciences and Arts SGEM 2018, 26 August – 1 September, 2018. P. 423–430. https://doi.org/10.5593/sgemsocial2018/5.2/S20.053

17. Dunca E.C., Olariu T., Rusu T., Ciolea D.I., Rusu T.A. Global assessment of pollution of the contaminated site in the brad mining perimeter. In: Proceedings of the 18th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2018, 2–8 July, 2018. P. 439–446. https://doi.org/10.5593/sgem2018/5.1/S20.057