Технологии с самообрушением. Развитие и новые возможности

Е.В.Кузьмин, проф., д.т.н.,
А.Р.Узбекова, к.т.н., МГГУ

Сложившаяся в настоящее время экономическая ситуация вынуждает применять технологии подземной добычи руд с низкой себестоимостью и высокой производственной мощностью. Этим требованиям в большой степени соответствуют при разработке мощных рудных тел системы с самообрушением.

Системы с самообрушением всегда вызывали особый интерес при подземной разработке мощных рудных месторождений из-за своей низкой себестоимости добычи и относительной простоты. Само собой разумеется, что привлекательно выпускать мелкодробленую руду из выпускных выработок, ограничиваясь буровзрывными работами только для создания подсечки, которая составляет менее 15% от отрабатываемого этажа, а также существенно экономя на ВВ, ВМ, зарплате, креплении, вентиляции и других расходах.

В 1940-е годы самообрушение настойчиво пытались внедрить на рудниках Кривого Рога [1]. Работы по внедрению данной технологии проводились также на Дегтярском руднике, на Никитовском месторождении при повторной отработке, в Текели и на других рудниках. Основные проблемы в то время были связаны с выпуском руды. Из-за медленного «созревания» массива и связанного с этим достаточно большого периода «ожидания» вынуждены были в условиях планового хозяйства прибегать к инициированию самообрушения, что приводило к большому выходу крупных блоков и постоянному вторичному дроблению. Поэтому впоследствии самообрушение было заменено на принудительное обрушение с выполнением всего комплекса буровзрывных работ для очистной выемки [2].

Однако за рубежом, на месторождениях с бедными рудами, где самообрушение является единственно экономически приемлемой технологией, интенсивно велись работы по изучению возможности применения самообрушения в различных условиях. Эффективность технологии очевидна, ее внедрение позволило вести подземную разработку месторождений с очень низким содержанием полезного компонента, чем объясняется их повсеместное внедрение на зарубежных рудниках.

В настоящее время на ряде рудников успешно применяют самообрушение, выходя по показателям добычи на первые места в мире: это медный рудник Нортспаркс (Австралия) с годовой производительностью более 5 млн. т. и себестоимостью добычи 9 долл. США/т, медно-золотодобыва-ющий рудник Фриипорт (Индонезия) производительностью более 5 млн. т/год и себестоимостью добычи 6 долл. США/т, алмазные рудники De Beers (ЮАР) Финч - производительностью 3 млн. т/год и Премьер -3 млн. т., рудник Палабора (ЮАР) -5 млн. т/год, с себестоимостью добычи 7-10 долл. США/т и другие известные горнодобывающие предприятия.

Рис. 1 Алгоритм к определению рейтингового показателя (MRMR) по классификации проф. Д. Лобшира

Камеры выпуска руды на руднике Коффифонтейн

Возможность применения систем с самообрушением зависит от физико-механических свойств горных пород, трещиноватости массива и параметров рудных тел. Свойства горных массивов достаточно разнообразны, и для определения их устойчивости или об-рушаемости в мировой практике используются классификации, в которых физико-механические свойства и геомеханические характеристики массивов сведены к общему числовому рейтинговому показателю.

Наиболее полной на сегодняшний день является классификация проф. Дениса Лобшира (ЮАР), который привел ее в приемлемую для горняков систему, учитывая весь комплекс физико-механических свойств массива [3]. Схема к определению рейтингового показателя массива на основе классификации MRMR (1977-1990 гг.) представлена на рис. 1.

Сегодня в мире ни один проект не начинается без геомеханической оценки массива по системе Д. Лобшира. Удобство ее заключается еще и в том, что большая часть сведений об изучаемом массиве может быть получена задолго до строительства рудника, путем исследований кернов пробуренных скважин.

Привлекательность метода резко усилилась с появлением исследовательского комплекса CORNSCAN (Институт геомеханики, DMT, Германия). Вся поверхность керна считывается в установке скоростной цифровой фотокамерой, тут же производятся геомеханические испытания, далее ведется компьютерная обработка данных и выдаются: прочность на сжатие, разрыв, скол, азимуты всех трещин, ширина их раскрытия, размеры выступов и впадин, местные дефекты, модули упругости, деформации и еще несколько полезных параметров.

Сущность метода Д. Лобшира заключается в том, что все учитываемые параметры массива оцениваются баллами. Каждый параметр состояния массива вносит определенное количество баллов, которые в итоге суммируются. Путем статистической обработки огромного количества производственных данных Д.Лобширом составлена диаграмма, с помощью которой исследованный на число баллов (MRMR) массив можно отнести к устойчивому, переходному или неустойчивому (рис. 2).

Рис. 2 Диаграмма ДЛобшира для определения устойчивости/обрушаемости пород

Рис. 3 Рудник Коффифонтейн, стадия создания подсечки.

Рис. 4 Торцевой выпуск руды из подэтажных выработок (рудник Коффифонтейн)

Степень склонности к самообрушению характеризуется величиной гидравлического радиуса (отношением площади активной поверхности к ее периметру). В нашем случае эта поверхность - площадь подсечки - минимальное горизонтальное обнажение в рудном теле, при котором начинается процесс самообрушения кровли и этот процесс не останавливается, т.е. развивается в виде вертикального столба и продолжается вплоть до выхода на поверхность.

Так же, как и в принудительном обрушении, применяется торцевой и донный выпуск руды. К примеру, на руднике Коффифонтейн применяется торцевой выпуск с доставкой с помощью мощных ПДМ. Причем выпуск руды осуществляется попеременно через выработки в двух подэтажах. Так как рудный массив непрочный и неустойчивый, в местах приема руды оборудуются полупостоянные пункты выпуска - мощные 2-х метровые по выработок и пунктов погрузки бетонируются для обеспечения высокопроизводительной работы ПДМ.

Рис. 5 Горизонты подсечки и основания блока на руднике Премьер
1 - буровая выработка; 2 - формирование подсечки;
3 - формирование траншеи; 4 - погрузочный орт-заезд;
5 - транспортный орт; 6 - транспортный штрек; 7 - доставочный штрек

На руднике Хендерсон выпускные воронки в основании блока и горизонт подсечки создаются одновременно горизонтальными и веерными скважинами (рис. 6).

На кимберлитовых рудниках ЮАР применяют подсечку веерными скважинами, поскольку ее проще адаптировать после применения систем с подэтажным обрушением, которая, как правило, используется там при переходе на подземные работы. На рудниках Эль-Тениенте (Чили) применяют обычную плоскую узкую подсечку длине бетонные арки, которые после окончания выпуска взрываются, и создается новый пункт выпуска, отступив по доставочной выработке на 24 м. Пункты выпуска в подэтажных выработках располагаются в шахматном порядке по отношению друг к другу (рис. 3, 4), поэтому практически пункт выпуска руды перемещается лишь на 12 метров. Следует отметить, что пункт выпуска руды на верхнем подэтаже располагается на границе подсечки, с тем, чтобы обрушенная руда опускалась по контакту вертикально.

На рудниках Нортспаркс, Хендерсон, Финч, Эль-Тениенте, Премьер применяется донный выпуск с использованием на доставке мощных ПДМ (рис. 5). На руднике Эль-Тени-енте целики между выработками основания блока стягиваются в обхват напряженными тросами, подошвы шпурами. Для отработки второго этажа рудника Нортпаркс на большой глубине применяют вариант зубчатой подсечки, при которой проще убирать руду из наклонной части и происходит лучшее разрушение массива в местах сопряжений (рис. 7).

Рис. 6 Образование выпускных выработок и формирование подсечки на руднике Хендерсон

 

Рис. 7 Вариант низкой зубчатой подсечки

В процессе опускания обрушенной руды к воронкам основания блока идет взаимное раздавливание кусков руды, измельчение крупных негабаритных кусков. Поэтому для практического использования этого эффекта на руднике Хендерсон на новом горизонте высота блока вместо обычных 122 м (что обеспечивает 130 тыс. тонн запасов, готовых к выемке одной воронкой) закладывается размером 244 м. При этом на одну воронку приходится 383 тыс.т. готовых к выемке запасов. На руднике Премьер новый горизонт (C-Cut) заложен на глубине 300 м от ближайшего отработанного этажа. Легко увидеть, что в приведенных примерах объем подготовительно-нарезных работ снижается в несколько раз по сравнению с, например, применяемыми системами с закладкой.

Таким образом, технология подземной разработки с самообрушением руды получила значительное развитие за последние 50 лет в развитых горнодобывающих странах, что обусловлено, прежде всего, изучением процесса самообрушения и выявления параметров, от которых зависит возможность ее применения. Развитие систем с самообрушением руды связано также и с развитием погрузо-доставочной техники, что снизило зависимость процесса выпуска руды от размера куска, увеличило интенсивность выпуска, размеры выпускных отверстий.

Большая высота этажа обеспечивает значительные запасы на пункт выпуска, низкий объем подготовительно-нарезных работ, низкий выход негабарита, высокую интенсивность погрузки и доставки руды.

Доли затрат в условиях рудника Хендерсон представлены на рис. 8 [4]. При этом видно, что затраты на добычные работы невысоки и составляют лишь незначительную часть.

При отработке мощных крутопадающих месторождений системы с самообрушением руды являются наиболее перспективными, так как позволяют обеспечить высокую годовую производительность предприятий при минимальной себестоимости добычи руды. За последние 50 лет в развитых горнодобывающих странах технология подземной разработки с самообрушением руды получила значительное развитие. В значительной степени это стало возможным благодаря систематиззации горных пород по устойчивости и созданию проф. Д. Лобширом рейтинговой классификации, наиболее полно учитывающей весь комплекс влияющих на самообрушение факторов и подразделяющей массивы на группы: устойчивые, переходные и са-мообрушающиеся. При этом основным параметром, характеризующим склонность массива к самообрушению является гидравлический радиус, определяющий минимальные размеры площади подсечки. Развитие технологии с самообрушением руды обеспечено также и тем, что погрузо-доставочная техника получила мощное развитие, что снизило зависимость процесса выпуска руды от размера куска, увеличило интенсивность выпуска, размеры выпускных отверстий.

Рис. 8 Затраты при применении системы с самообрушением в условиях рудника Хендерсон

ЛИТЕРАТУРА:

1. Полищук АД., Шостак А.Г. Этажное самообрушение на рудниках Криворожского железнорудного бассейна. - М.: Металлургиздат, 1953. - 192 с.

2. Справочник по горнорудному делу. Ред. Терпигорев А.М., Каплунов Р.П. Т.2. Подземные работы. Государственное научно-техническое издательство литературы по горному делу, Москва, 1961.

3. Laubscher, D H, 1990. A Geomechanics Classification System for the Rating of Rock mass in Mine Design, J Sth Afr Inst Min Met: p. 257-273.

4. Gallagher, J and Teuscher, J S, 1998. Henderson Mine: Preparing for the Future, SME Annual Meeting. Orlando, FL.

Журнал "Горная Промышленность" №3 2005