Разработка комбинированной подземной геотехнологии с целенаправленным изменением структуры горного массива
А.М. Мажитов, Р.В. Кульсаитов, Р.С. Козицина, С.А. Корнеев
Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, г. Магнитогорск, Российская Федерация
Горная Промышленность №1 / 2024 стр. 105-110
Резюме: В работе представлена конструкция комбинированной системы разработки, обеспечивающая создание благоприятных горнотехнических условий для отработки запасов руды в условиях неустойчивых вмещающих пород. Технология обеспечивает целенаправленное преобразование структуры горного массива путем использования различных технологических решений, которые способствуют повышению производительности очистной выемки, создание ограждающего упрочненного слоя для обеспечения возможности применения высокопроизводительной камерной системы разработки. Такой подход позволяет эффективно извлекать запасы, находящиеся в массиве неустойчивых вмещающих пород. В результате применения разработанного варианта комбинированной камерной системы разработки достигается улучшение горнотехнических условий работы и повышение эффективности процессов очистной выемки. Идея, заключающаяся в том, что при вводе каждого последующего участка месторождения, находящегося все в более сложных условиях и имеющего низкие качественные показатели по содержанию полезного компонента, в отработку необходимо осуществлять целенаправленное техногенное преобразование массива горных пород, т.е. создавать благоприятные горно-геологические, горнотехнические и геомеханические условия эксплуатации, является актуальной научно-практической задачей горнодобывающего производства.
Ключевые слова: повышение производственной мощности, комбинированная система разработки, техногенное преобразование горного массива
Для цитирования: Мажитов А.М., Кульсаитов Р.В., Козицина Р.С., Корнеев С.А. Разработка комбинированной подземной геотехнологии с целенаправленным изменением структуры горного массива. Горная промышленность. 2024;(1):105–110. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-1-105-110
Информация о статье
Поступила в редакцию: 16.12.2023
Поступила после рецензирования: 31.01.2024
Принята к публикации: 03.02.2024
Информация об авторах
Мажитов Артур Маратович – кандидат технических наук, доцент кафедры разработки месторождений полезных ископаемых, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, г. Магнитогорск, Российская Федерация
Кульсаитов Равиль Вадимович – кандидат технических наук, доцент кафедры разработки месторождений полезных ископаемых, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, г. Магнитогорск, Российская Федерация
Козицина Регина Сергеевна – студент кафедры геологии, маркшейдерского дела и обогащения, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, г. Магнитогорск, Российская Федерация
Корнеев Сергей Александрович – кандидат технических наук, доцент кафедры разработки месторождений полезных ископаемых, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, г. Магнитогорск, Российская Федерация
Введение
Каждый последующий этап подземной разработки месторождений обусловлен определенной степенью техногенного изменения массива горных пород разрабатываемого участка недр. Это преобразование связано непосредственно с очистной выемкой и несет необратимый и трудно- прогнозируемый характер. Практический опыт показывает, что уровень, или масштаб, преобразования зависит от ряда факторов: интенсивности и порядка отработки месторождения, формы и размеров подземных горных выработок, состояния выработанного пространства, направления очистной выемки и других. При вводе в эксплуатацию каждого последующего участка месторождения производится оценка существующих горно-геологических и сформировавшихся в процессе ведения горных работ горнотехнических условий эксплуатации запасов. На этом этапе принимается решение о целесообразности и оценивается эффективность дальнейшей отработки запасов месторождения. И в связи с постоянным снижением содержания полезного компонента на каждом вновь вводимом участке в совокупности с его техногенным преобразованием все чаще приходится отказываться от отработки значительных объемов запасов, находящихся в сложных горно-геологических, геомеханических и горнотехнических условиях.
Поэтому разработка конструкции комбинированной системы разработки, позволяющей ввести в эксплуатацию такие запасы при требуемом увеличении интенсивности их освоения, является актуальной научно-практической задачей.
Результаты и обсуждение
Современное состояние подземных горных работ характеризуется постоянным ухудшением количественно-качественных характеристик отрабатываемых запасов. Известно, что с каждым последующим этапом разработки месторождения в эксплуатацию вводятся запасы с меньшим содержанием полезного компонента. При сохранении принятой проектом производственной мощности велика вероятность сокращения прибыли за счет снижения объёма конечной продукции. Поэтому горнодобывающие предприятия вынуждены увеличивать свою производственную мощность зачастую в разы [1–7].
Повышение производственной мощности возможно за счет применения высокопроизводительных систем разработки с камерной выемкой и закладкой выработанного пространства для снижения показателей потерь и разубоживания очистной выемки при отработке запасов с низким содержанием полезного компонента [7–13]. Однако месторождения рудных полезных ископаемых характеризуются непостоянством горно-геологических и горнотехнических условий эксплуатации. Месторождения отличаются широким диапазоном изменения содержания полезного компонента и наличием вредных примесей, изменением угла падения залежей и мощности рудных тел, различными характеристиками по устойчивости и напряженному состоянию массива горных пород, наличием охраняемых объектов в районе ведения горных работ [14]. Очевидно, что все это обусловливает различную величину себестоимости очистных работ по участкам и, соответственно, определяет уровень рентабельности отработки запасов. Как правило, в первоочередную отработку вовлекаются участки месторождения, имеющие наиболее благоприятные условия эксплуатации и запасы с относительно высоким содержанием полезного компонента.
При этом в связи с неизбежным техногенным преобразованием массива горных пород в процессе эксплуатации месторождения отработка последующих участков сопровождается все большим ухудшением горно-геологических и горнотехнических условий и, в конечном итоге, может привести к отказу от их отработки, связанному с низкой экономической эффективностью.
Повысить рентабельность отработки вновь вводимых запасов с худшими характеристиками и условиями эксплуатации возможно за счет создания благоприятных условий путем целенаправленного изменения структуры массива пород на данных участках ведения горных работ [15–21]. Поэтому идея, заключающаяся в повышении эффективности разработки рудных месторождений путем применения различных технологических методов, которые позволят своевременно и целенаправленно изменять напряженно-деформированное состояние, геомеханические, структурные и инженерно-технологические характеристики горных пород и другие характеристики, оказывающие влияние на процесс очистной выемки, является актуальной для развития теории и практики горнодобывающего производства.
Все вышеизложенное привело к решению задачи по разработке конструкции камерной системы разработки для отработки запасов, находящихся в условиях неустойчивых вмещающих пород с целью повышения производственной мощности разрабатываемого месторождения. При этом очевидно снижение себестоимости очистных работ, что позволяет отрабатывать запасы с низкими качественными характеристиками. Благодаря применению разнообразных технологических методов, которые направлены на изменение напряженно-деформированного состояния, геомеханических, структурных и инженерно-технологических характеристик массива горных пород, осуществление добычи полезных ископаемых на участке месторождения становится более эффективным и достигается максимальная полнота отработки рудных запасов.
Рис. 1 Вариант подэтажно-камерной системы разработки с формированием защитного слоя и расположением камер вкрест простирания: 1 – доставочный штрек; 2 – буро-доставочный орт; 3 – участковый наклонный съезд; 4 – вентиляционно-ходовой восстающий; 5 – заезд на подэтаж; 6 – защитный слой; 7 – междуэтажный целик; 8 – отрезной восстающий; 9 – закладочная скважина; 10 – вентиляционный штрек
Fig. 1 An option of sub-level room-and-pillar mining system with the formation of a protective layer and the room location across the strike: 1 – haulage entry; 2 – drill-and-haulage crosscut; 3 – section access ramp; 4 – ventilation and manway raise; 5 – access to the sub-level; 6 – protective layer; 7 – floor pillar; 8 – cut-out raise; 9 – backfill borehole; 10 – ventilation drift
Суть системы разработки с подэтажно-камерной выемкой заключается в отработке рудного тела блоками или камерами под защитой укрепленного слоя (рис. 1). Отработка основных запасов камер начинается после создания защитного слоя 6 со стороны висячего бока и кровли камеры (междуэтажном пространстве) 7. Камеры могут отрабатываться как в направлении простирания рудного тела, так и вкрест. Этаж вертикально делится на подэтажи, а горизонтально – на блоки. Высота этажа (подэтажа) определяется устойчивостью предварительно созданного массива твердеющей закладки при формировании защитного слоя и морфологией рудного тела. Длина блока варьируется в зависимости от используемых средств механизации на доставке рудной массы. Камеры отрабатывают в сплошном порядке либо по камерно-целиковой схеме. Подготовка блока осуществляется с помощью участкового наклонного съезда 3. Для каждого подэтажа используется полевой доставочный штрек 1, пройденный из заезда 5. Нарезные работы выполняются с использованием буро-доставочных ортов 2 и формированием отрезного восстающего 8, который расширяется в отрезную щель на контакте с защитным слоем.
Отбойка руды осуществляется с помощью вееров скважин, которые бурятся из доставочных штреков на разных этажах (подэтажах). В зависимости от прочности защитного слоя отработка запасов этажей может проводиться как последовательно сверху вниз, так и одновременно на всю высоту этажа.
Закладка выработанного пространства осуществляется через скважины 9, пробуренные с вышележащего (вентиляционного) доставочного штрека 10.
Рис. 2 Вариант подэтажно-камерной системы разработки с формированием защитного слоя и расположением камер по простиранию: 1 – доставочный штрек; 2 – доставочный орт; 3 – участковый наклонный съезд; 4 – вентиляционно- ходовой восстающий; 5 – заезд на подэтаж; 6 – защитный слой; 7 – междуэтажный целик; 8 – отрезной восстающий; 9 – междукамерный целик; 10 – закладочная скважина; 11 – буро-доставочный штрек
Fig. 2 An option of sub-level room-and-pillar mining system with the formation of a protective layer and the room location along the strike: 1 – haulage entry; 2 – haulage crosscut; 3 – section access ramp; 4 – ventilation and manway raise; 5 – access to the sub-level; 6 – protective layer; 7 – floor pillar; 8 – cut-out raise; 9 – room fender; 10 – backfill borehole; 11 – drill-and-haulage entry
В целях уменьшения объема полевых подготовительно-нарезных работ блоки и камеры могут отрабатываться по простиранию рудного тела (рис. 2). Направление отработки зависит от принятой нормативной прочности закладочного массива укрепленного слоя. Длина блока должна быть определена таким образом, чтобы обнажение защитного слоя в вертикальной стенке камеры оставалось устойчивым.
В варианте расположения камер по простиранию подготовка блока аналогична подготовке при расположении камер вкрест простирания. Нарезные работы заключаются в проведении по лежачему боку рудного тела подэтажных буро-доставочных штреков 11, из которых производится обуривание массива веерами скважин. Отбойка запасов подэтажей производится в отступающем порядке на доставочный орт 2.
Блок включает в себя камеру, которая расположена по простиранию рудного тела, и междукамерный целик. Целик извлекается в последнюю очередь, после выемки основных запасов руды в камерах и полной закладки выработанного пространства. Отработка целика осуществляется вкрест простирания в отступающем порядке на доставочный штрек.
Рис. 3 Формирование защитного слоя: 1 – подэтажный доставочный штрек; 2 – орт-заезд; 3 – участковый наклонный съезд; 4 – вентиляционно-ходовой восстающий; 5 – слоевой буро-доставочный штрек; 6 – отбойные шпуры
Fig. 3 Formation of the protective layer: 1 – sub-level haulage entry; 2 – access crosscut; 3 – section access ramp; 4 – ventilation and manway raise; 5 – stoping drill-and-haulage drift; 6 – main blastholes
Формирование защитного слоя (рис. 3) производится путем применения слоевой системы разработки. Процесс формирования слоев осуществляется сверху вниз. Очистная выемка заходок производится одновременно на нескольких подэтажах, чтобы обеспечить интенсивность формирования защитного слоя. На каждый слой до границы с висячим боком из наклонного съезда проходится орт-заезд 2. Далее проходится слоевой буро-доставочный штрек на всю длину камеры из орта-заезда 2 по висячему боку. Закладка выработанного пространства осуществляется из орта-заезда соответствующего слоя. При этом штрек имеет уклон в сторону рудного тела для осуществления самотечной закладки.
Выводы
Для обеспечения повышения производительности отработки запасов, находящихся в условиях высокой нарушенности массива и сложной морфологии, разработана подэтажно-камерная система разработки с формированием искусственного массива. Установлено, что для сокращения изрезанности массива подготовительными выработками камеры следует располагать по простиранию рудного тела.
В условиях сложной морфологии рудных тел и локализации ослабленного участка для создания условий эффективного применения камерных систем разработки с твердеющей закладкой производится создание изолирующей горной конструкции путем одновременной очистной выемки запасов в приконтактной зоне и замещения рудного массива закладочным за счет применения слоевой системы разработки.
Список литературы
1. Никоноров В.В. Рудные месторождения Кыргызстана. Бишкек; 2009. 482 с. Nikonorov V.V. Ore deposits of Kyrgyzstan. Bishkek, 2009,;. 482 p. (In Russ.).
2. Блошенко Т.А. Налогообложение организаций при добыче и комплексной переработке минерального сырья: теория и практика. М.: КУРС; 2020. 304 с. Bloshenko T.A. Taxation of organizations related to mining and complex processing of mineral raw materials: theory and practice. Moscow, KURS Publ., 2020, 304 p. (In Russ.).
3. Bachas P., Soto M. Corporate taxation under weak enforcement. American Economic Journal: Economic Policy. 2021;13(4):36–71. https://doi.org/10.1257/pol.20180564
4. Zhang C., Teng W. Natural resources led financing of investment: A prospect of China’s provincial data. Resources Policy. 2023;86(B):104164. https://doi.org/10.1016/j.resourpol.2023.104164
5. Пинская М.Р. Об изъятии горной ренты при добыче твердых полезных ископаемых. Финансы. 2020;(5):31–36. Pinskaya M.R. Charging the rental incomes derived from extracting the solid mineral products. Finansy. 2020;(5):31–36. (In Russ.)
6. Шаталов С.Д., Пинская М.Р., Прокаев В.А., Цаган-Манджиева К.Н. Концепция рентного налогообложения добычи и извлечения твердых полезных ископаемых. Финансовый журнал. 2023;15(3):9–24. https://doi.org/10.31107/2075-1990-2023-3-9-24 Shatalov S.D, Pinskaya M.R., Prokaev V.A., Tsagan-Mandzshieva K.N. The rent taxation concept for solid minerals extraction and recovery. Financial Journal, 2023;15(3):9–24. (In Russ.). https://doi.org/10.31107/2075-1990-2023-3-9-24
7. Zhou R., Su K., Zheng L. Natural resources led growth and the role of financial development: Evidence from Next-11 economies. Resources Policy. 2022;79:103105. https://doi.org/10.1016/j.resourpol.2022.103105
8. Курманалиев К.З. Обзор, анализ эмпирического опыта горного проекта золоторудного месторождения Кумтор. Аналитика. 30 дек. 2021. Режим доступа: https://analitika.akipress.org/news:5660/rus (дата обращения: 18.08.2022). Kurmanaliev K.Z. Review, analysis of empirical experience in mining project of the Kumtor gold deposit. Analitika. 30 Dec. 2021, Available at: https://analitika.akipress.org/news:5660/rus (accessed: 18.08.2022).
9. Городнянский И.В. Экономические механизмы защиты недр от расхищения горными разработками. Palmarium. Mauritius; 2014. 272 с. Gorodnyansky I.V. Economic mechanisms of subsoil protection from plundering by mining operations. Palmarium. Mauritius; 2014, 272 p. (In Russ.).
10. Жикаляк Н.В. Рента в горной промышленности: виды и причины образования. Экономический вестник Донбасса. 2003;(3):180–185. Режим доступа: https://core.ac.uk/download/pdf/87412488.pdf (дата обращения: 17.10.2023). Zhikalyak M.V. Rent in mining industry: Kinds and reasons of creation. Ekonomicheskii vestnik Donbassa. 2003;(3):180–185. (In Russ.) Available at: https://core.ac.uk/download/pdf/87412488.pdf (accessed: 17.10.2023).
11. Кимельман С.А., Андрюшин С.А. Горная рента: экономическая природа, факторы формирования и механизмы изъятия. Финансы. 2004;(5):16–19. Kimelman S.A., Andryushin S.A. Mining rent: economic nature, formation factors and withdrawal mechanisms. Finansy. 2004;(5):16–19. (In Russ.)
12. Кимельман С.А. Горная и ценовая рента в современной российской экономике. Вопросы экономики. 2010;(7):52–64. https://doi.org/10.32609/0042-8736-2010-7-52-64 Kimelman S.A. Mining and price rent in the modern Russian economy. Voprosy Ekonomiki. 2010;(7):52–64. (In Russ.) https://doi.org/10.32609/0042-8736-2010-7-52-64
13. Комаров М.А., Белов Ю.П. Реализация права собственности государства на недра через изъятие природной ренты. Вопросы экономики. 2000;(8):71–83. Komarov M.A., Belov Yu.P. Realization of the state's property rights to subsoil through the withdrawal of natural rent. Voprosy Ekonomiki. 2000;(8):71–83. (In Russ.)
14. Матвеев Ю.Ф., Субботин М.А. Рентный подход в недропользовании. М.: НИА-Природа; 2003. 244 с. Режим доступа: http://www.priroda.ru/upload/iblock/25b/file.pdf (дата обращения: 17.10.2023). Matveyev Yu.F., Subbotin M.A. Rent-based approach in subsoil use. Moscow, NIA-Priroda Publ., 2003, 244 p. (In Russ.). Available at: http://www.priroda.ru/upload/iblock/25b/file.pdf (accessed: 17.10.2023).
15. Майорова Н.Е. Горная рента в современной системе налогообложения. Записки горного института. 2003:155(2):208– 211. Режим доступа: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/9051# (дата обращения: 17.10.2023). Maiorova N.E. Mining rent in the modern system of taxation. Journal of Mining Institute. 2003:155(2):208–211. (In Russ.) Available at: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/9051# (accessed: 17.10.2023).
16. Разовский Ю.В. Природная рента: управление сверхприбылью. М. Экономика; 2000. 439 с. Razovsky Yu.V. Natural resource royalty: excess profits management. Moscow, Ekonomika Publ; 2000, 439 p. (In Russ.). Razovsky Yu.V. Natural resource royalty: excess profits management. Moscow, Ekonomika Publ; 2000, 439 p. (In Russ.).
17. Хазанов Л.Г. Эволюция теории горной ренты. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2005;(11):333–343. Khazanov L.G. Evolution of the theory of mining rent. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2005;(11):333–343. (In Russ.)
18. Ampofo G.K.M., Cheng J., Asante D.A., Bosah P. Total natural resource rents, trade openness and economic growth in the top mineral-rich countries: New evidence from nonlinear and asymmetric analysis. Resources Policy. 2020;68:101710. https:// doi.org/10.1016/j.resourpol.2020.101710
19. Kurmanaliev K.Z., Jelisejevs A., Korobovsky N.V., Alekseeva O. Сollisions of subsoil ownership in a transitional economy by the example of modern Kyrgyzstan. Eurasian Mining. 2023;(2):51–55. https://doi.org/10.17580/em.2023.02.11
20. Марьин Е.В. К вопросу о рикардианской ренте. Экономика и бизнес: теория и практика. 2022;(6-2):39–41. https://doi.org/10.24412/2411-0450-2022-6-2-39-41 Maryin E.V. On the question of the Ricardian rent. Economy and Business: theory and Practice. 2022;(6-2):39–41. (In Russ.) https://doi.org/10.24412/2411-0450-2022-6-2-39-41
21. Abdulahi M.E., Shu Y., Khan M.A. Resource rents, economic growth, and the role of institutional quality: A panel threshold analysis. Resources Policy. 2019;61:293–303. https://doi.org/10.1016/j.resourpol.2019.02.011
22. Khan M.A., Khan M.A., Khan M.A., Alhumoudi H., Haddad H. Natural resource rents and access to finance. Journal of Multinational Financial Management. 2023;70-71:100821. https://doi.org/10.1016/j.mulfin.2023.100821
23. Цхададзе Н.В., Иоселиани А.Д. Земельно-рентные отношения: от классиков до современности. Вестник Московского университета МВД России. 2019;(2):219–226. https://doi.org/10.24411/2073-0454-2019-10107 Tskhadadze N.V., Ioseliani A.D. Land and rental relations: From classics to modernity. Vestnik of Moscow University of the Ministry of Internal Affairs of Russia. 2019;(2):219–226. (In Russ.) https://doi.org/10.24411/2073-0454-2019-10107
24. Ларичкин Ф.Д., Кныш В.А. (ред.). Рациональное использование вторичных минеральных ресурсов в условиях экологизации и внедрения наилучших доступных технологий. Апатиты: ФИЦ КНЦ РАН; 2019. 252 с. https://doi.org/10.37614/978.5.91137.417.4 Larichkin F.D., Knysh V.A. (ed.). Rational use of secondary mineral resources in conditions of environmentalization and introduction of the best available technologies. Apatity, FIZ KNTS RAN Publ., 2019, 252 p. (In Russ.). Available at: https://doi.org/10.37614/978.5.91137.417.4
25. Лисачев А.Н. Проблемы распределения горной ренты в современной России. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2012;(S4):170–177. Lisachev A.N. Problems of distribution of a mining rent in modern Russia. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2012;(S4):170–177. (In Russ.)
26. Яцкий С.В. Проблемы стоимостной определенности ренты. Проблемы современной экономики. 2018;(3):86–90. Режим доступа: http://www.m-economy.ru/art.php?nArtId=6409 (дата обращения: 17.10.2023). Yatskiy S.A. The problem of cost definition of rent (Russia, Khanty-Mansiysk). Problems of Modern Economics. 2018;(3):86– 90. (In Russ.) Available at: http://www.m-economy.ru/art.php?nArtId=6409 (accessed: 17.10.2023).
27. Клименко В.А., Карпович Ю.В. Теория поиска ренты: теоретическое осмысление. Экономическая наука сегодня. 2020;(11):37–42. Klimenko V.A., Karpovich Y.V. Theory of rent-seeking: Theoretical comprehension. Ekonomicheskaya Nauka Segodnya. 2020;(11):37–42. (In Russ.)
