Вскрытие при комбинированной разработке медно-колчеданных месторождений

М.В.Рыльникова, д.т.н., проф., ИПКОН РАН
В.Н.Калмыков, д.т.н., проф., Магнитогорский государственный технический университет
Н.А.Ивашов, зам. ген. директора ЗАО «Челябинская угольная компания»

Стратегия комплексного освоения месторождений комбинированными технологиями базируется на составлении единого комплексного проекта извлечения запасов, в котором технологически и календарно увязаны все технические решения на весь период освоения месторождения с оптимизацией области эффективного применения каждого способа и принятием единой схемы вскрытия, решения вопросов геомеханики, вентиляции, водоотлива и транспортирования горной массы.

При применении комбинированных технологий вскрытие месторождения характеризуется рядом особенностей: наличие карьерного пространства, которое представляет собой самостоятельную вскрывающую выработку; увеличенные размеры зон, вовлекаемых в процесс деформирования массива под влиянием горных работ; зависимость распределения запасов по способам разработки от принятого порядка освоения месторождения. Поэтому в данном случае использование традиционных способов вскрытия нецелесообразно.

При проектировании освоения запасов комбинированными технологиями проектные решения должны быть увязаны по способам разработки, в том числе в части размещения вскрывающих выработок с учетом перспектив развития горных работ в карьере и на шахте и функционирования их на всех этапах разработки.

Требования к способу вскрытия месторождений при комбинированном способе разработки сводятся к следующему:

-    использование карьерного пространства в качестве основной или вспомогательной вскрывающей выработки на стадиях строительства и эксплуатации подземного рудника;

-    создание единой транспортной схемы для выдачи рудной массы;

-    резервирование на поверхности карьера мест для размещения поверхностных зданий и сооружений подземного рудника;

-    формирование при постановке карьера в предельное положение площадок, берм, съездов для заложения рудовыдачных и вспомогательных подземных выработок, размещения пунктов перегрузки, дренажных выработок и сооружений, вентиляционных и энергетических установок;

-    учет при определении местоположения подземных вскрывающих выработок, наряду с традиционными факторами, перспектив развития горных работ в карьере и особенностей сдвижения массивов пород под влиянием подземных и открытых горных работ;

-    разработка мероприятий по уменьшению размеров зон деформирования подрабатываемых бортов карьера в местах размещения подземных капитальных вскрывающих выработок;

-    размещение отвалов вскрышных пород и рудных складов с учетом требований проветривания шахт и обеспечения устойчивости подрабатываемых бортов карьера.

Очевидно, что применение единой схемы вскрытия с учетом технологии открытых и подземных работ, а в ряде случаев и физико-химических геотехнологий, расширяет область эффективного использования комбинированных технологий. Кроме того, это позволяет избежать негативных последствий переходного периода и сформировать стабильную программу добычи руды, сохранить занятость рабочих при их плановой заблаговременной переквалификации, обеспечить своевременную компенсацию выбывающих производственных мощностей.

Такая стратегия комплексного вскрытия при комбинированной разработке была реализована на медно-колчеданных месторождениях Урала.

Гайское месторождение разрабатывается открытыми и подземными технологиями с совмещением в вертикальной плоскости, начиная с середины 60-х годов. Открытые и подземные работы были сначала разделены рудным, а затем искусственным целиком мощностью 60–80 м. Вскрытие запасов подземных горизонтов осуществлено группой вертикальных стволов, пройденных с поверхности, и вспомогательным наклонным съездом под самоходное оборудование, пройденным с бермы борта карьера. Выдача руды с нижних горизонтов карьера производилась совместно с шахтным грузопотоком по главному шахтному стволу. Перепуск руды на главные откаточные горизонты осуществлялся по вертикальным рудоспускам, пройденным из карьера. Карьерное пространство использовалось для подачи пород вскрыши в очистное пространство подземных камер.

Вскрытие и подготовка приконтурных запасов в борту карьера №1 производилась штольнями и автомобильными уклонами.

Наличие заблаговременно созданной схемы совместного вскрытия шахтного и карьерных полей позволило комбинату полностью компенсировать выбывающие мощности трех карьеров.

Учалинское месторождение разрабатывается открыто-подземным способом. Непосредственно к предельному контуру примыкают значительные объемы руды (35% от общих запасов месторождения). Большая часть запасов сосредоточена в основании карьера (80–85%), остальные – в северном и в основании южного и юго-восточного бортов карьера.

В 1986 г. параллельно с доработкой карьера открытым способом началось строительство подземного рудника. Для сокращения сроков строительства из карьерного пространства произведено опережающее вскрытие и подготовка прикарьерных запасов в бортах и в основании карьера. Для этого использовались дренажные выработки карьерного водоотлива и штольни, пройденные в западном борту с гор.144 м и 300 м, сбитые между собой грузовым и людским уклонами и соединенные с нижележащими горизонтами подземного рудника 340 м и 380 м наклонным стволом, обеспечивающим движение самоходного оборудования и выдачу горной массы в карьер. Такой вариант вскрытия и подготовки запасов обеспечил, по сравнению с традиционной схемой «ствол – квершлаг – штрек», сокращение сроков ввода в эксплуатацию на 3.5 года и позволил существенно снизить капитальные затраты за счет отказа от строительства одного ствола (рис. 1).

Для интенсификации наращивания производственной мощности Учалинского подземного рудника одновременно с доработкой карьера осуществлялось вскрытие запасов в северном борту карьера (гор. 200, 220, 300 м), в основании южного и северного флангов (гор. 340, 380 м) и в пережиме рудного тела (гор. 380 м) с использованием пройденных из карьера выработок (штолен, наклонного съезда).

Накопленный Учалинским комбинатом опыт отработки прикарьерных запасов подтвердил целесообразность вскрытия и подготовки запасов из карьера и показал, что развитие в приконтурной зоне подземных работ на различных участках залежи одновременно с доработкой запасов карьера обеспечивает возможность стабильного наращивания производственной мощности подземного рудника.

Вопросы вентиляции подземных выработок в условиях возможных аэродинамических связей с атмосферой карьера решаются путем применения нагнетательного способа проветривания, подпорных вентиляторов местного проветривания, перемычек, автоматизированных шлюзов в устья выработок. Для борьбы с паводковыми и ливневыми стоками разработаны меры, включающие использование существующих дренажных скважин, сооружение водоотводного комплекса повышенной мощности, отвод поверхностных вод с помощью нагорных канав.

Сибайское месторождение разрабатывается последовательным открыто-подземным способом.

Вскрытие прикарьерных запасов предусмотрено вертикальными стволами и квершлагами, расположенными за зоной сдвижения. На очистных работах рекомендовано использовать самоходное оборудование и системы с твердеющей закладкой.

Для строительства горизонтов подземного рудника с 1985 г. активно используется карьерное пространство и существующие выработки и коммуникации дренажной шахты для обеспечения проходческих работ энергией, материалами и для выдачи породы от проходки. Для этих целей были пройдены транспортные штольни и наклонный съезд (рис.2).

Отсутствие своевременного финансирования строительства подземного рудника привело к вынужденной многократной реконструкции карьера, глубина которого в настоящее время составляет 505 м. Высокая нарушенность пород прикарьерного массива, низкая устойчивость бортов карьера и сокращение активных запасов подземного рудника обусловили низкую эффективность доработки запасов за контуром карьера традиционными подземными технологиями. С целью повышения эффективности освоения дорабатываемой части месторождения, руды которого характеризуются относительно невысоким содержанием полезных компонентов, принято решение апробации в переходной зоне открыто-подземных технологий. Для отработки запасов некондиционных и забалансовых руд проведены полупромышленные испытания технологии выщелачивания руды, эффективному применению которой способствует развитая сеть подземных выработок, уже пройденных в прикарьерном массиве.

Молодежное медно-колчеданное месторождение Учалинского ГОКа представлено двумя рудными телами крутого и пологого падения, имеющими линзообразную и пластообразную формы. Глубина залегания рудных залежей 450 м и более, длина по простиранию 660 м, по падению 620 м, мощность залежей 5 –75 м. Вмещающие породы характеризуются высокой трещиноватостью. В настоящее время открытые горные работы завершены. Предельная глубина карьера 248 м, углы откосов бортов 43–44°.

За предельным контуром карьера сосредоточены значительные запасы сплошных и вкрапленных медно-колчеданных руд (в бортах 42% и в основании 58%). Проектные решения предусматривают вскрытие прикарьерных запасов двумя вертикальными стволами с использованием штолен, пройденных из карьера (рис. 3).

Схема вскрытия запасов подземными стволами и штольнями позволяет исключить технологический риск освоения запасов за контуром карьера путем разработки резервных технологий.

На Александринском месторождении вскрытие законтурных запасов осуществлено в 2001 г. наклонным съездом, пройденным с бермы карьера и предусматривающим движение самоходного оборудования. Для выброса исходящей воздушной струи в карьер проходится вертикальный вентиляционный восстающий. Проходка капитальных вскрывающих выработок производится параллельно с производством открытых горных работ в карьере. Относительно невысокая производительность подземного рудника позволила отказаться от традиционной схемы вскрытия с поверхности и значительно сократить срок строительства.

Прикарьерные запасы месторождения Александринское, представленного крутопадающими рудными телами, отрабатываются с 2001 г. системой разработки с обрушением руды и вмещающих пород. Вся рудная масса транспортируется подземными автосамосвалами на карьерный перегрузочный пункт.

На месторождении Таш-Тау проектом доработки богатых залежей медных руд предусмотрено проведение всех главных и вспомогательных вскрывающих выработок из карьера. Вскрытие осуществлено в 2000 г. штольнями и грузовым уклоном, оборудованным подъемной машиной (рис.4). Доставка людей, материалов, оборудования, выдача руды производится из карьера. Водоотлив, снабжение энергией осуществляется также через карьер.

Подземные работы начинаются после завершения открытых работ, поэтому схема вентиляции предполагает забор чистого воздуха из атмосферы карьера и выброс воздушной струи по восстающему, оборудованному лифтовым подъемом, на поверхность.

Очистная выемка медно-колчеданных руд за контуром карьера глубиной 125 м системами разработки этажно-камерными и с магазинированием. Добытая рудная масса транспортируется вагонетками в карьер, где перегружается в автосамосвалы для перемещения на обогатительную фабрику.

На месторождении Осеннее единым комплексным проектом на комбинированную отработку медно-колчеданных руд предусмотрено создание общей транспортной магистрали, включающей капитальную траншею карьера и подземный наклонный съезд под самоходное оборудование.

Обобщение опыта вскрытия медно-колчеданных месторождений свидетельствует о возможности использования карьеров в качестве рудовыдачной вскрывающей выработки для освоения подземных запасов. Это предполагает сооружение в карьере перегрузочных узлов, размещение вентиляционных установок, поддержание карьерных съездов и коммуникаций на длительный период эксплуатации подкарьерных запасов, что зачастую при большой глубине карьера требует оставления в качестве охранных целиков части прикарьерных запасов и не всегда бывает оправданным из-за необходимости поддержания всех бортов карьера во время разработки запасов подземным способом и высоких затрат на транспорт карьерным оборудованием. В этом случае целесообразно использовать подземные вскрывающие выработки для освоения запасов глубоких горизонтов карьера и шахтных запасов. При формировании общей транспортной схемы в основании карьера сооружаются капитальные рудоспуски и транспортирование рудной массы от открытых горных работ осуществляется по подземным выработкам.

Реализация предложенных способов вскрытия в условиях комбинированной разработки медно-колчеданных месторождений Урала позволила сделать следующие выводы и рекомендации:

•    Использование карьерного пространства дает возможность существенно ускорить строительство подземного рудника и организовать добычные работы в открыто-подземном ярусе до ввода основных вскрывающих выработок подземного рудника в эксплуатацию.

•    Производство из карьера проходческих и очистных работ в переходных зонах позволяет ощутимо смягчить экономические последствия перехода на другой способ разработки, обеспечить компенсацию выбывающих производственных мощностей. Вопросы вентиляции, водоотлива технически решаемы.

•    Совместное решение вопросов вскрытия и подготовки запасов шахтного и карьерного полей позволяет существенно уменьшить объем вскрывающих выработок, снизить размеры инвестиций, а также уменьшить затраты на транспортировку руды в процессе эксплуатации открытого и подземного рудников.

•    Принятие решения о совместном вскрытии запасов шахтного и карьерного полей на этапе разработки единого проекта на комбинированную отработку запасов месторождения позволяет своевременно реагировать на изменение горнотехнических условий разработки и параметров внешней среды и обеспечивать рациональный перевод отдельных участков месторождения из одного технологического состояния в другое с целью повышения эффективности и комплексности освоения недр.   

Журнал "Горная Промышленность" №2 2003, стр.