Управление развитием рабочей зоны кимберлитовых карьеров

А.Н.Акишев, к.т.н., В.А.Бахтин, Е.В.Бондаренко, С.Л.Бабаскин, «Якутнипроалмаз», АК «АЛРОСА»

Подавляющий объем алмазодобычи в ближайшее десятилетие намечается по-прежнему от разработки коренных месторождений открытым способом. В настоящее время только в Западной Якутии в одновременной разработке находится ряд карьеров с различной производительностью и глубиной отработки. При этом некоторые карьеры находятся в стадии строительства, часть карьеров – в стадии развития производительности, часть – в стадии работы с проектной производительностью и часть – в стадии доработки. Горные работы осуществляются на глубине от 30 до 500 м при средневзвешенной глубине их ведения в 176 м, высоте рабочей зоны 82 м и текущем коэффициенте вскрыши 2.35 м3/т. Более половины (64%) годовой производственной мощности приходится на два наиболее крупных карьера – «Удачный» (13.5%) и «Юбилейный» (50.5%).

К 2010 г. средневзвешенная глубина открытых горных работ достигнет 273 м. Соответственно, по отрабатываемым карьерам рабочая зона переместится на более глубокие горизонты, ее высота составит 75 м, а текущий коэффициент вскрыши увеличится до 3.88 м3/т (табл. 1). В этот период впервые в условиях Западной Якутии открытые горные работы достигнут глубины 600 метров и, вероятно, будут продолжены до глубины 700–760 м.

Табл. 1    Изменение основных параметров отрабатываемых карьеров

Известно, что принятые проектные параметры отработки и конфигурация горных работ глубоких карьеров со временем подвергаются корректировкам и изменениям. Это позволяет горнодобывающему предприятию улучшить экономическую деятельность или сохранить эффективность горных работ на достигнутом уровне в условиях ухудшающихся горнотехнических условий разработки карьера и изменения состояния сырьевого рынка.

Необходимость корректировки ранее принятых технических параметров отработки карьеров возникает по различным причинам, однако можно выделить основные:

-    резкое изменение горно-геологических условий разработки месторождения;

-    изменение запасов месторождения и их качества;

-    изменение состояния сырьевого рынка;

-    необходимость снижения объемов вскрышных работ путем абсолютного уменьшения вскрыши в контуре карьера, или переносом части работ на будущие периоды;

-    необходимость реконструкции транспортной системы карьера для перевозки возрастающих объемов горной массы;

-    формирование дна карьера для максимальной доработки руды ниже проектного контура или перехода на подземную отработку подкарьерных запасов.

В зависимости от поставленной задачи корректировкам могут быть подвергнуты параметры применяемой системы разработки, параметры и конструкция нерабочих уступов, схема вскрытия, порядок отработки месторождения, конечная глубина открытых горных работ.

Таким образом, адаптация проектных параметров и конфигурации горных работ разрабатываемого месторождения к изменяющимся геологическим, горнотехническим и экономическим условиям алмазного рынка является одной из главных составляющих успешной деятельности горнодобывающего предприятия.

Главными параметрами карьера являются конечная глубина и генеральный угол наклона борта. Эти два параметра находятся в тесной взаимосвязи с остальными технологическими параметрами – схемой вскрытия, системой отработки, видом карьерного транспорта.

Вопрос определения границ перехода с открытой на подземную добычу руды является сложным в методическом плане из-за трудности объективного учета разнонаправленных факторов, изменяющихся с течением времени. Для кимберлитовых карьеров это обстоятельство осложнено географическими, гидрогеологическими, морфологическими и качественными особенностями, присущими только алмазным месторождениям Якутии.

Опыт открытой отработки коренных месторождений алмазов показывает, что глубину практически всех отрабатываемых карьеров неоднократно пересматривали в сторону ее увеличения. К настоящему времени проектная глубина кимберлитовых карьеров составляет от 300 до 610 м, что в 1.5–2 раза превышает принятую в первоначальных проектах. В зависимости от размеров поперечного сечения рудного тела и ценности руды проектная глубина карьеров соответствует граничному коэффициенту вскрыши 19–64 м33.

В настоящее время границы карьеров устанавливают на многовариантной основе на всю глубину разведанных запасов, причем условие эффективности границ карьеров проверяют по условию максимальной экономии затрат, получаемой от применения открытого способа отработки вместо подземного, и минимума ущерба – в затратах на комбинированную разработку на всю глубину разведанных запасов. По сути, это означает проведение макроанализа всего месторождения на всю глубину разведанных запасов с определением его суммарной товарной ценности в условиях его комплексного освоения, при котором затраты будут минимальны.

Полученный диапазон вероятных глубин карьера определяют исходя из достижения максимальной дисконтированной прибыли за весь период работы карьера. При этом конечный контур получается путем использования метода, основанного на классическом алгоритме поиска оптимального карьера Лерча-Гроссмана с использованием программы NPV Sheduler.

Принятую за основу расчетную глубину карьера проверяют на заданную величину рентабельности. Если условие не выполняется, то границы карьера пересматривают. Окончательные границы карьера устанавливают на основе всестороннего анализа полученных исходных технических и экономических параметров исходя из наилучшего соответствия стратегическим или тактическим задачам, а также перспективной технологической взаимосвязи подземных и открытых горных работ.

Анализ показывает, что проектная глубина отрабатываемых карьеров соответствует оптимальной, определенной из условия перехода на отработку подкарьерных запасов подземным способом. При этом, глубина карьеров на малых трубках (площадь рудного тела до 2 га) ограничена эффективным диапазоном 250–350 м. На крупных трубках (площадь рудного тела до 20 га), имеющих высокое содержание алмазов, эффективная глубина карьеров ограничена диапазоном 500–610 м. На месторождениях подобного типа, но с пониженным содержанием алмазов, эффективная глубина карьеров не превышает 200–250 м.

Дальнейшее расширение границ кимберлитовых карьеров на 30–40% в принципе технически возможно и частично может применяться на ряде месторождений для решения тактических задач переходного периода или задач, связанных с отработкой труднодоступных для подземного способа подкарьерных запасов руды.

Проведенные исследования показывают, что предельная по техническим и экономическим параметрам глубина открытых горных работ не превышает 850 м. При попытке увеличения глубины карьера ниже данной отметки (например, до 900 м) были получены отрицательные результаты. Это очевидно связанно с тем, что, во-первых, освоение таких глубин открытым способом технически затруднено, так как требует увеличения имеющихся горно-транспортных мощностей более чем в 2 раза, во-вторых, продолжительность реконструкции карьера составляет более 17–20 лет с перерывом в добыче руды на срок от 8 до 12 лет. Наконец, отработка карьера на такую глубину может привести к потере руды, остающейся в бортах и под дном карьера.

Следовательно, можно сказать, что на данный период технические возможности открытого способа в условиях Западной Якутии позволяют технически осваивать глубины до 800–850 м.

При этом следует учесть, что параметры открытых горных работ находятся на грани предельных, и их оптимизация вряд ли возможна. В то же время параметры подземной отработки имеют определенный потенциал, позволяющий их оптимизировать, что можно рассматривать как фактор, направленный на ограничение глубины открытой разработки.

В этих условиях целесообразно проведение работ по углублению карьера ниже проектных его контуров без разноса бортов по специальной технологии. Расчеты показывают, что потенциальный объем добычи руды за счет работ по углублению сопоставим с запасами крупного карьера.

С этой же целью оптимизируют и профиль бортов карьера путем максимального использования прочностных свойств пород и изменения технических параметров отстройки, что обеспечивает резкое снижение объемов вскрыши в контурах.

Конструирование технологического борта на основе использования нового методического подхода осуществляют в следующей последовательности:

-    определяют равноустойчивый профиль борта, имеющего обоснованный коэффициент запаса;

-    осуществляют построение с использованием компьютерной технологии каркасной модели карьера с изолиниями горизонтов, соответствующих профилю равноустойчивой кривой;

-    производят адаптацию элементов технологического борта к заданным изолиниям. При этом осуществляют подбор элементов борта, обеспечивающих его максимальное приближение к равноустойчивой кривой;

-    осуществляют конструирование транспортных коммуникаций по отстроенному борту карьера с минимальным коэффициентом развития трассы;

-    осуществляют построение промежуточных контуров с параметрами, привязанными к конечному контуру карьера и схеме его вскрытия;

-    формируют дно карьера в переходной зоне открыто-подземного яруса, обеспечивающего тесное технологическое взаимодействие открытых и подземных горных работ.

По данной идеологии ведется проектирование новых и корректировка уже действующих карьеров.

Так, за более чем 30-летний период отработки карьера «Удачный» неоднократно корректировались параметры рабочей зоны карьера и конфигурация горных работ. Эти изменения были связаны:

-    с изменением высоты рабочих уступов, которая была снижена с 20 до 15 метров (1974 г.);

-    с изменением высоты временно нерабочих и нерабочих уступов, которая была увеличена с 30 до 45 метров с одновременным увеличением угла их наклона с 60 до 75 градусов (1978 г.);

-    увеличением глубины отработки месторождения с 400 до 600 метров с одновременной реконструкцией транспортной системы путем перехода от автомобильного к автомобильно-конвейерному виду транспорта (1985 г.);

-    отказом от дальнейшего строительства конвейерной линии внутри карьера и перехода на автомобильный вид транспортирования горной массы (1990 г.);

-    переходом на применение сверхкрутых и высоких уступов высотой до 180 м, сформированных вертикальными подуступами высотой 30 метров и разделенных горизонтальными бермами с гравитационной очисткой (1997 г.);

-    отказом от дальнейшего применения сверхвысоких и крутых уступов с вертикальными подуступами и переходом на уступы высотой 45 метров наклонно-вертикального профиля (2000 г.);

-    переходом в нижней части карьера со спиральной на кольцевую схему вскрытия встречными съездами и применением крутонаклонных берм (2002 г.).

В результате вышеназванных корректировок параметров борта, схемы вскрытия и порядка отработки существенно изменялась конфигурация горных работ карьера, соответственно, изменялись среднеэксплуатационный и текущий коэффициенты вскрыши. По первоначальному проекту до глубины 400 м величина среднего коэффициента вскрыши составляла 1.15 м3/т. По проекту реконструкции карьера до глубины 600 метров средний коэффициент вскрыши составил 1.67 м3/т. По проектам 1997, 2000 и 2003 гг. средний коэффициент вскрыши был поэтапно снижен до 1.13 м3/т (снижение на 48%). Изменение текущего и среднеэксплуатационного коэффициентов вскрыши при отработке карьера трубки «Удачная» представлено на рис. 1.

На карьере «Юбилейный» горные работы были начаты в 1985 г. по проекту, разработанному институтом «Якутнипроалмаз», в соответствии с которым конечная глубина карьера составляла 500 м и по восточному рудному столбу (бл.14-С1) оставлялся целик ниже глубины 400 м. В 1990 г. строительство карьера было закончено (выполнено 20.6 млн.м3 объемов ГКР) и с 1991 г. карьер находится в эксплуатации.

В 1991 г. проект был откорректирован в части оптимизации конструкции и параметров уступов и бортов, а также изменена схема вскрытия и месторасположение внешних отвалов вскрышных пород, исходя из интенсификации естественного проветривания карьера и минимального плеча откатки горной массы. Это обеспечило уменьшение объема вскрышных пород в контуре карьера на 124 млн.м3. При этом, величина среднеэксплуатационного коэффициента вскрыши снизилась с 1.6 до 1.0 м3/т, что позволило разработать календарный план отработки месторождения с годовыми объемами вскрышных работ не превышающими 10 млн. м3 (против 16 млн. м3, запроектированных в ранее разработанном проекте).

В этом же проекте был исследован режим горных работ с использованием графика функции V=f(Р). На основании проведенных исследований было принято решении о ведении горных работ в области линии АSЕ (рис. 2), при котором обеспечивается наиболее оптимальное развитие рабочей зоны карьера. При этом предлагалось горные работы вести с эксплуатационным коэффициентом вскрыши, равным среднеэксплуатационному и рекомендуемым значением в 1.0 м3/т (2.2 м3/м3).

По состоянию на 01.01.2003 г. горные работы на карьере «Юбилейный», достигли глубины 225 м (а.о. +395 м). Размер карьера по поверхности достиг 1300(1650 м, по дну – 360(120 м. Среднегодовое понижение горных работ за период отработки составило 12.5 м/год. Среднегодовое горизонтальное продвижение рабочих уступов составляет 47 м/год.

Средний коэффициент вскрыши за период 1985–2002 гг. составил 1.545 м3/т (3.44 м3/м3). Среднеэксплуатационный коэффициент вскрыши (без ГКР) за период эксплуатации карьера с 1991–2001 гг. составил 1.196 м3/т (2.65м3/м3).

Согласно проекту отработку месторождения предлагалось вести со среднеэксплуатационным коэффициентом вскрыши равным среднему, т.е. 1.0 м3/т (2.2 м3/м3).

Анализ позволяет сделать вывод, что до 1996 г. отработка месторождения велась со значительным опережением вскрышных работ, среднеэксплуатационный коэффициент вскрыши за этот период составил 4.57 м3/т (10.1 м3/м3). С 1997 г., в связи с увеличением добычи руды до проектных объемов и исключением забалансовых руд, среднеэксплуатационный коэффициент вскрыши существенно снизился и составил 0.9 м3/т (2 м3/м3) за период 1997–2001 гг., снижаясь в отдельные годы (1997, 1999 и 2001 гг.) ниже проектного уровня (ниже среднего). Тем не менее, на 1 января можно констатировать, что рабочая зона карьера «Юбилейный» развита в достаточной степени. Это подтверждается величиной среднеэксплуатационного коэффициента вскрыши, составившего за период 1991–2001 гг. 1.196 м3/т (требуемая величина 1.0 м3/т). Точка суммарных объемов выполненной горной массы на графике V=f (P) находится в проектной области функции V=f (Р). Некоторое опасение может вызвать высота рабочего борта и его угол наклона 16–18°, против рекомендуемого 15–16°. Однако это положение может быть достаточно быстро исправлено путем изменения направления развития горных работ и интенсивной постановкой уступов во временно нерабочее положение по границе промежуточного контура.

В карьере «Юбилейный» наблюдается нарушение устойчивости бортов северного, северо-восточного, восточного и юго-восточного направлений.

Северо-восточный и юго-восточный борта карьера имеют похожий характер нарушений целостности откосов уступов (СВ – гор. 485–455 м и ЮВ – гор. 530–485 м и гор. 485–440 м) – уступ по высоте снизу вверх на 2/3 сложен мергелем и на 1/3 известняком. Мергель, как менее прочная порода, подвержен более интенсивному выветриванию, в результате чего над ним на высоте от 2 до 12 м образовался постепенно обрушающийся козырек из известняка с выступом от 0.5 до 2.0 м (рис. 3).

Дальнейшее развитие рабочей зоны карьера связано с работой в границах 1-го промежуточного контура, разносом восточного целика и понижением высоты западного рабочего борта с одновременным формированием западного целика на границе промежуточного контура.

С целью улучшения режима вскрышных работ и обеспечения наиболее благоприятного соотношения добычи бедных и богатых блоков рекомендуется выделить дополнительный этап отработки, т.е. перейти от двух- к трехэтапной отработке месторождения (рис.4).

По времени производства работ этапы разделяются следующим образом:

I этап (до 01.01.2003 г.) Работа в пределах первого и второго промконтуров;

II этап (2003–2014 гг.) Период совмещения контуров (разнос западного временно нерабочего борта);

III этап (2015–2017 гг.) Доработка карьера до предельной глубины.

При таком порядке отработки создаются наилучшие условия для максимального усреднения вскрышных работ с переносом их на будущие периоды и достигается наилучший баланс производительности с оптимальным соотношением богатой и беднотоварной руды при селективной технологии добычи.

На 01.01.2003 г. часть карьера трубки «Юбилейная» представлена уже сформированной схемой вскрытия. Северная часть борта до гор. +530 м поставлена в конечное положение с оформлением капитальной восточной траншеи и дополнительного выезда в отм. +590–622 м. Южная часть борта поставлена в конечное положение до гор. +560 м с оформлением капитальной южной траншеи.

В дальнейшем система вскрытия будет развиваться следующим образом. По западному борту вскрытие карьера будет осуществляться до гор. +590 м капитальной траншеей внешнего заложения, а ниже капитальными съездами внутреннего заложения. Капитальные съезды Южной, Восточной и Западной капитальных траншей пересекаются на горизонтах +530, +485, +395 м. С горизонта +425 м до гор. +305 м вскрытие осуществляется двумя встречными кольцевыми съездами. Ниже гор. +305 м карьер вскрывается одним спиральным съездом.

Дополнительный встречный съезд по западному борту с гор. +425 до гор. +305 м обеспечивает снижение плеча откатки по рабочим горизонтам, автономность производства горных работ по разносу восточного и западного участков бортов карьера и создает условия для будущей перспективной доработки запасов руды остающихся в борту и под дном карьера.

Корректировкой проекта предусматривается изменение конструкции нерабочих уступов. Для исключения образования «козырьков» на основе обработки геологических данных с использованием системы Datamain, заложена круговая отсекающая берма по подошве силура с углом откоса 75°, шириной от 17 до 40 м. Ниже угол наклона нерабочих уступов увеличен с 75° до 80° (рис. 5).

В результате вышеназванных корректировок среднеэксплуатационный коэффициент вскрыши снижен с 1.6 м3/т до 0.92 м3/т. При этом адаптированы параметры рабочей зоны карьера при оптимальной конфигурации горных работ и достигнут наиболее благоприятный баланс производительности карьера (рис. 6).

Таким образом, в современных условиях, когда объемы производства во многом определяются состоянием рынка, необходима постоянная корректировка параметров развития рабочей зоны, в пределах которой может быть обеспечена общая конкурентоспособная отработка карьера при сложившихся ценах, структуре затрат и действующей системе налогообложения. Это может быть достигнуто изменением порядка и направлением развития горных работ, а также изменением конструкции и размеров рабочей зоны при заданных технологических ограничениях, во взаимосвязи с совершенствованием карьерного пространства и технологических схем разработки и общей конфигурации горных работ.   

Журнал "Горная Промышленность" №1 2004