Принципы перехода на подземную разработку кимберлитового месторождения «Мир»

Л.А.Пучков, чл.-корр. РАН, ректор МГГУ,
Д.М.Казикаев, д.т.н., проф., МГГУ
Е.В.Кузьмин, д.т.н., проф., И.Н.Савич, к.т.н., доц., МГГУ
В.П.Дюкарев, ген. директор, АК «АЛРОСА»,
В.Т.Калитин, гл. инженер, АК «АЛРОСА»,
В.М.Зуев, гл. эксперт, к.г.-м.н., АК «АЛРОСА»

Месторождение находится в состоянии доработки открытым способом. Проектная глубина карьера 525 м (до гор. -190 м). Площадь рудного тела на этом горизонте составляет около 35 тыс.м2. Окончание открытых работ — 2001 год.

В процессе отработки месторождения открытым способом пересечен водоносный горизонт мощностью около 150 м (гор. +20 м — гор. -130 м). Водопритоки в карьере составляют 1200 м3/час. В воде присутствует сероводород.

Рудное тело имеет вертикальное падение вкрест и по простиранию.

При существующей классификации систем разработки, учитывая горнотехнические условия и ценность добываемого сырья, подземная разработка может быть осуществлена с применением технологии с принудительным обрушением руды или с искусственным поддержанием выработанного пространства.

В сложившихся условиях будет осуществляться последовательная разработка месторождения.

Учитывая, что строительство подземного рудника до настоящего времени не начато, неизбежен разрыв между окончанием открытой и началом подземной разработки, который составит по разным вариантам вскрытия и подготовки от 2 до 8 лет. Более позднее вскрытие принесет огромные убытки предприятию.

Проблема перехода на подземную разработку кимберлитового месторождения «Мир» стала актуальной давно. На различных этапах проектных работ рассматривались вопросы вскрытия месторождения, обоснования технологии его разработки, а также мероприятия по защите карьера и рудника от подземных вод.

Решения, предложенные в предшествующих научно-исследовательских и проектных работах, по тем или иным причинам не были приняты к практической реализации.

К настоящему времени на месторождении «Мир» сложилась критическая ситуация. На научные, проектные и изыскательские работы, строительство и ввод в эксплуатацию рудника в сроки, позволяющие обеспечить относительно плавный переход к подземной разработке, остается не более 4 лет.

Подход МГГУ к решению проблемы перехода на подземную разработку трубки «Мир» заключается в том, чтобы применить технологию, обеспечивающую безопасность горных работ и экономическую эффективность при кратчайших сроках разрыва между завершением открытой и началом подземной добычи руды.

Оценка геомеханической и гидрогеологической обстановки, проведенная МГГУ и другими организациями, показывает, что отказ от водоотлива из зоны месторождения (т.е. затопление карьера) возможен, если под дном карьера будет оставлен безвозвратно теряемый рудный целик толщиной не менее 85 м. Под его защитой разработка может вестись системами с закладкой.

Были рассмотрены также варианты технологии с закладкой выработанного пространства, которые позволили бы сократить параметры рудного целика с замещением его искусственным, обеспечивающим безопасное ведение горных работ при затоплении карьера. Необходимо отметить, что о какой-либо эффективности технологии с закладкой можно говорить только в случае затопления карьера. При этом некоторые специалисты предлагают оставлять части рудного целика толщиной 10–15 м.

По нашим оценкам естественный целик толщиной 10–15 м, площадью около 35 тыс.м2 не может обеспечить гидроизоляцию карьера от подземного рудника, поскольку при подработке целика и вызванной ею посадке толщи пород на закладочный массив в нем будут образованы вертикальные водопроводящие трещины.

При формировании закладочных массивов невозможно достичь сплошности среды. Закладочные массивы по структуре анизотропны, что предопределяется расслоением смеси в процессе закладочных работ. Помимо этого, на руднике «Мир» после заполнения выработанного пространства не будет сцепления (адгезии) между соленасыщенными вмещающими породами и закладкой. Соль будет растворяться и вымываться водой, отдаваемой закладкой в процессе твердения, и в связи с этим между искусственным и породным массивом будет образовываться водопроводящий канал. Это, впрочем, будет иметь место и без присутствия соли. Следует отметить, что закладка выработанного пространства от начала использования этой технологии до настоящего времени являлась инструментом управления горным давлением и никогда не использовалась как гидротехническое сооружение, препятствующее поступлению воды в рудник (в данном случае искусственный массив должен быть еще и водонепроницаемой перемычкой, выдерживающей давление около 30 атмосфер). К такого рода сооружениям предъявляются совсем другие требования как на стадии использования, так и на стадии строительства.

Таким образом, сочетание 10–15-метрового естественного целика с закладочным массивом под ним в данных условиях не гарантирует рудник от затопления, а, наоборот, имеется высокая вероятность фильтрации воды через рудный целик, закладочный массив и окружающие трещиноватые породы.

В этой связи для обеспечения безопасности подземных горных работ в случае отработки месторождения системами с закладкой на протяжении всего срока эксплуатации необходимо оставлять целик высотой более 80 м или поддерживать карьер «сухим». Иначе неизбежно затопление рудника.

В варианте «сухой» карьер отпадает основной аргумент против систем с обрушением — необходимость откачки и утилизация воды в объеме около 1200 м3/час из подземного дренажного комплекса в сочетании с поверхностным водопонижением.

Таким образом, при вскрытии и последующей подземной разработке месторождения как системами с закладкой, так и системами с обрушением руд и вмещающих пород альтернатива варианту «сухой» карьер практически отсутствует.

Схема законтурного дренажа месторождения по существу не зависит от принятой системы разработки (с закладкой или с обрушением). Не будут также отличаться схемы внутрикарьерного дренажа в период вскрытия месторождения и сооружения систем законтурного дренажа (до начала обрушения руды и поступления воды в очистные выработки).

При разработке месторождения системами с закладкой под защитой искусственного целика дренажная система должна обеспечить отвод воды со дна карьера (во всяком случае, на весь период отработки переходной зоны). Приток воды в очистные выработки при этом должен быть минимален.

При разработке системами с обрушением после обрушения кровли первого рудного подэтажа система дренажа должна обеспечить максимально быстрый и, по возможности, управляемый транзит воды через обрушенную породу к дренажным выработкам.

Дренажные сооружения, предназначенные для защиты внутрикарьерного пространства и подземных горных выработок от подземных вод в рассматриваемых вариантах вскрытия и разработки переходной зоны, а в последующем и основной части месторождения, могут включать в себя:

  • внешний контур водопонижающих скважин, оборудуемых на восьмой коллектор за внешним контуром ПФЗ;
  • подземный дренажный комплекс (ПДК).

Существенное значение при выборе технологии разработки имеет и то обстоятельство, что в случае применения систем с закладкой разрыв во времени между окончанием открытой и началом подземной разработки составит 6–8 лет. Применение же технологии с принудительным обрушением руды позволяет осуществить переход к подземной добыче руды в 2–3 года и практически исключает этот разрыв.

Сокращение времени перехода к добыче при системах с обрушением обусловлено возможностью вскрытия подкарьерных запасов штольневыми и другими выработками из самого карьера. При этом работы по вскрытию осуществляются параллельно с завершением работы карьера.

Одновременно начинаются работы по вскрытию стволами. Месторождение вскрывают тремя вертикальными стволами, два из которых — клетевой и скиповой, располагаются на одной промплощадке в местах, определенных предыдущим проектом, а третий — вспомогательный, на противоположном фланге (рис.1).

Такая схема расположения позволяет решить практически все вопросы по вентиляции рудника и безопасности производства подземных горных работ в данных условиях.

Предлагаемая глубина стволов составляет 680 м, т.е. вскрываются запасы между отметками дна карьера и горизонтом -340 м. На первом этапе осуществляют строительство клетевого ствола, а затем скипового и, в последнюю очередь, вспомогательного. Вспомогательный ствол может быть оборудован скипо-клетевым подъемом. Вскрытие запасов глубоких горизонтов осуществляется двумя слепыми стволами при фланговом их расположении.

Непременным условием эффективного освоения любого месторождения полезных ископаемых является правильная интерпретация предшествующих и сопровождающих геомеханических процессов, их учет при выработке технологических решений.

Значимость этого положения в рассматриваемых условиях существенно повышается в связи с тем, что отработанным глубоким карьером создана довольно сложная геомеханическая обстановка. Получение неприемлемой картины деформирования массивов пород или, напротив, отсутствие уверенности в правильном решении геомеханических задач удерживало многочисленных предшествующих исследователей от рекомендаций по использованию эффективных технологических схем перехода на подземную разработку месторождений.

Безусловно, при решении проблемы перехода на подземную разработку кимберлитовых месторождений Якутии возникает целый ряд сложнейших геомеханических задач, особенно в зоне непосредственного примыкания подземных горных работ к карьеру. Задачи эти существенно усложняются присутствием напорного водоносного горизонта.

Глубина переходной зоны определяется зоной взаимного геомеханического влияния карьера и подземных выработок. Величина этой зоны зависит в нашем случае от многих факторов: степени заполнения карьера водой и обрушенными породами, состояния рудно-породного массива под дном и в бортах карьера и др.

Нами исследованы процессы развития напряженно-деформированного состояния массива вмещающих пород по мере отработки подкарьерных запасов руд, начиная от дна карьера, системами с обрушением руд и пород.

В частности, показаны конфигурация и размеры зон пластического деформирования массива пород в бортах карьера и вблизи залежи в динамике подземных горных работ с обрушением. Эти зоны могут являться потенциальными участками разрушения массивов. Однако реализация разрушения возможна только в тех точках, где напряжения превышают предельную прочность пород. Если в качестве критериев прочности пород принять зависимость s–t, определяемую по паспортам прочности, то можно определить эти точки.

На рис.2 показаны зоны пластического деформирования пород (1) при подземной отработке подкарьерных запасов залежи до глубины 740 м и потенциальная зона разрушения пород (2), построенная по вышеуказанному методу совместного анализа напряженного состояния и прочности вмещающих пород. Ожидаемая наибольшая глубина распространения зоны разрушения в сторону массива будет до 40–50 м. Образование этой зоны будет происходить постепенно и особенно активно по достижении глубины подземной отработки 50–60 м ниже дна карьера. Таким образом, по мере опускания границы подземных работ отработанное пространство будет заполняться обрушающимися породами, общий объем которых в указанных контурах составит 20–20.5 млн.м3, что обеспечит заполнение отработанного пространства до глубины 1100–1200 м.

Все авторы предыдущих исследовательских работ, так же как и мы, сошлись во мнении, что переходную зону можно разрабатывать с открытым (т.е. незаполненным) выработанным пространством на глубину 80–100 м от дна карьера. Однако при доработке карьера на его дне будет размещено не менее 500 тыс.м3 вмещающих пород. Ежегодный объем осыпей составляет более 100 тыс.м3 в год, а после завершения работ в карьере он будет возрастать, достигая по нашим оценкам 200 тыс.м3. Не исключены осыпи и с вертикальных обнажений по контуру рудного тела (порядка 100 тыс.м3 в год).

Таким образом, к моменту отработки рудного тела на глубину 80–100 м от дна карьера в выработанном пространстве будет находиться не менее 2–2.5 млн.м3 обрушенных пород. С учетом их разрыхления выработанное пространство будет заполнено не менее, чем на 2/3, что существенно повышает устойчивость массивов пород в стенках вертикальных обнажений и в бортах карьера, уменьшая объемы неуправляемого обрушения, а также обеспечивает безопасность производства подземной добычи.

Иногда высказываются опасения по поводу смерзаемости пород или образования водных «карманов» в зоне обрушения. Что касается смерзаемости пород, то она возможна только под воздействием пресных вод, количество которых будет ограничено, кроме того, они будут контактировать с соленасыщенными растворами с сопоставимыми объемами водопритоков (50 м3/час пресных вод — 50 м3/час рассолов), что уменьшит возможность смерзания. Следует отметить, что при площади зоны обрушения более 30 тыс.м2 смерзание пород не может привести к их консолидации с зависанием, тем более, что, как указывалось выше, массив находится в постоянном движении.

Возможен и ряд других решений, позволяющих сократить поступление воды в зону обрушения, которые будут проработаны на стадии проектирования. Например, принудительное обрушение вмещающих пород по контуру кольцевого штрека первого подэтажа, что позволит уловить практически весь приток с водоносного горизонта или искусственное формирование полостей в процессе выпуска под защитой козырька, ликвидация которого в процессе очередного взрывания приведет в движение обрушенные породы и т.п.

Следует добавить, что на рудниках ОАО «Апатит», разрабатывающих месторождение нагорного типа с обильными водопритоками в весенне-осенний период, при высоте столба обрушенных пород более 250 м с наслоением крупноблочных структур от посадки подрабатываемого висячего бока, на протяжении последних 40 лет эксплуатации рудников не отмечено явлений накопления вод в обрушенных породах. Здесь отсутствует и смерзание обрушенного массива, несмотря на достаточно суровый климат в регионе.

На рудниках Кривого Рога, где обрушение выходит на поверхность, и в его воронку попадают четвертичные отложения, которые по своему составу, в общем-то, способствуют формированию водных карманов, также не отмечалось их наличия.

Таким образом, на первом этапе подземной разработки рекомендуется подэтажное обрушение с торцевым выпуском под засыпкой, сформированной при доработке карьера с внутренним отвалообразованием (рис. 3).

При этом ожидаемые показатели извлечения на первой стадии подземной разработки: потери — до 3%; разубоживание — до 10%. В последующем при сохранении потерь на уровне 3–5% разубоживание может составить 15–20%.

Себестоимость добычи руды в условиях рудника «Мир» при использовании систем с закладкой составит не менее 35 долл./т, а при системах с обрушением около 8 долл./т. Экономическая эффективность от применения систем с обрушением при разработке месторождения составит не менее 2 миллиардов долларов США.

Таким образом, в условиях рудника «Мир» применение систем разработки с обрушением является практически безальтернативным, поскольку системы с закладкой не обеспечивают безопасности подземных горных работ и экономически неэффективны. 

Журнал "Горная Промышленность" №2 2000