Схемы вскрытия и отработки глубоких горизонтов алмазных карьеров крутонаклонными выработками

А.С. Чаадаев, А.Н. Акишев, В.А. Бахтин, С.Л. Бабаскин, институт «Якутнипроалмаз»

К одной из ярко выраженных современных тенденций в разработке алмазосодержащих месторождений Якутии относится достижение практически предельных глубин карьерами, отрабатывающими крупнейшие кимбер-литовые трубки. Наряду с уникальной ценностью кристаллов, алмазосодержащие месторождения характеризуются особыми по сложности разработки условиями залегания. Причем на наиболее крупных месторождениях алмазов (трубки «Интернациональная», «Мир», «Удачная», «Айхал», «Юбилейная», «Нюрбинская», «Ботуобинская») горно-геологические условия дополнительно осложнены горнотехническими факторами - большой глубиной карьера с малыми размерами в плане и крутыми откосами бортов.

Открытый способ добычи алмазов на ближайшие десятилетия остается основным. В настоящее время только в Западной Якутии в одновременной разработке находятся шесть карьеров производительностью от 1.5 до 11.5 млн. т в год и глубиной от 450 до 650 м. В ближайшие годы на пяти действующих карьерах планируется провести реконструкцию с целью увеличения их глубины до предельно возможной -порядка 560-720 м. В перспективе предполагается вовлечь в отработку открытым способом на глубину 450-600 м ряд новых месторождений.

К 2010 г. средневзвешенная глубина открытых горных работ на карьерах компании достигнет 273 м [1]. 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. В этот период впервые в условиях Западной Якутии открытые горные работы достигнут глубины 600 м и будут продолжены до глубин 650-720 м.

Завершение открытых горных работ на основных месторождениях алмазов, имеющих существенное значение в формировании минерально-сырьевого баланса АК «АЛРОСА», и необходимость перехода на некоторых из них на подземный способ добычи в сложных геотехнологических условиях Крайнего Севера обуславливает необходимость индивидуального подхода при выборе стратегии и технологии освоения каждой из трубок.

Учитывая эти факторы, АК «АЛРОСА» с 1997 года были инициированы масштабные исследования с целью поиска совершенных технологий отработки карьеров особо большой глубины. В ходе исследований было установлено [2, 3], что предельная глубина открытых горных работ для крупных кимберлитовых карьеров может достигать 850 м. Однако, освоение таких глубин открытым способом технически трудноосуществимо, так как требует увеличения имеющихся горно-транспортных мощностей более чем в 2 раза с перерывом в добыче руды на срок от 8 до 12 лет.

В этих условиях целесообразно использование потенциала открытого способа разработки для проведения углубочных работ ниже проектного дна карьера с минимально возможным разносом его бортов за счет применения специального горного оборудования и соответствующей технологии.

На основе анализа опыта работы отечественных и зарубежных алмазных карьеров и проблем, возникающих при их эксплуатации, было доказано, что во многих случаях целесообразно отрабатывать карьер этапами. При этом выделяется несколько промежуточных контуров, на границе которых уступы отстраиваются как на предельном контуре. Поэтапная разработка месторождения позволяет в течение всего периода эксплуатации месторождения изучать свойства пород, отследить их изменения в бортах карьера и с учетом полученной информации совершенствовать параметры борта.

Определена идеология обоснования профиля борта на предельном контуре, основные положения которой заключаются в следующем:

- параметры борта в начальный период освоения месторождения определяются на основании физико-механических характеристик пород, полученных испытанием образцов, представленных в керне разведочных скважин, и опыта эксплуатации других карьеров Якутии (на этом этапе нет необходимости оптимизировать контур борта, необходимо только, чтобы он не был излишне пологим);

- при ведении работ в пределах каждого промежуточного контура уточняются свойства пород по образцам, отобранным из борта карьера и полученным при доразведке месторождения, проводятся натурные испытания в бортах карьера, детально изучается трещиноватость пород, анализируется их поведение в откосах уступов;

- к началу формирования профиля борта, соответствующего предельной глубине карьера, объем знаний о литологии пород, их свойствах, трещиноватости и ее влиянии на прочность массива достаточен для корректировки начального проекта.

Обоснованный расчетами выпуклый профиль борта для предварительного анализа охарактеризован эквивалентным
углом наклона, т.е. углом наклона плоского борта, объем вскрыши при котором равен объему при выпуклом борте. Для алмазных карьеров эквивалентный угол достигает 50-55°. Практическая реализация такого профиля заключается в уменьшении горизонтального заложения откоса борта. Это может быть достигнуто применением спиральных съездов крутого уклона, использованием наклонных предохранительных берм, отстройкой высоких и крутых уступов, уменьшением ширины всех берм до минимально допустимой величины.

При существующей технологии открытой разработки алмазосодержащих месторождений невозможно достичь максимальных значений углов откоса борта карьера. Вызвано это, в основном, невозможностью отстройки сверхвысоких уступов в нижней части карьеров из-за размещения на борту спиральной трассы транспортных съездов с продольными уклонами 80-100%, что приводит к выполаживанию нерабочего борта карьера.

Разработан способ [4], обеспечивающий резкое уменьшение объемов вскрышных работ в контуре карьеров. Сущность способа заключается в том, что отстройку нерабочего борта ведут с промежуточной глубины, вписывая технологический борт в равноустойчивый профиль, имеющий обоснованный коэффициент запаса устойчивости, выше проектного дна карьера на высоту устойчивого участка борта или уступа под технологическим углом погашения и смещенного на этой высоте от контакта рудного тела в горизонтальном положении на величину определяемую перспективными технологическими параметрами борта в нижней части (рис. 1).

Нижняя, наиболее крутая часть борта на указанную высоту вначале отрабатывается по принятой для верхней части карьера технологии с оставлением рудных целиков под углом, обеспечивающим надежность борта в целом не ниже нормативной. После достижения проектного дна карьера в промежуточных контурах целики, объем которых относительно невелик и не превышает 10-15% от запасов в нижней зоне, отрабатываются по специальной технологии с применением гусеничных самосвалов с продольным уклоном транспортных съездов 300%, что позволяет отработать все оставленные запасы, отстраивая борт под предельно крутым углом погашения.

Надежность устойчивости борта к моменту его погашения будет ниже оптимальной на 10-15%, что объясняется меньшим экономическим риском, поскольку объем оставленного полезного ископаемого в целиках невелик.

В основу способа положена задача максимально возможного использования прочностных свойств пород за счет отработки карьера в контурах, максимально приближенных к равноустойчивому профилю, соответствующему меньшей, чем проектная, глубине карьера. С последующей поэтапной доработкой карьера до проектной глубины с обоснованным увеличением риска на последнем этапе доработки.

Поставленная задача решена тем, что, при известной конечной глубине и соответствующему ей оптимальному профилю борта, карьер отстраивают до глубины, меньшей на величину , чем проектная (см. рис.1).

Величина  определяется по формуле:


Так как для крутопадающих месторождений

  ,

то дно карьера на высоте  отстраивается на удалении от контура рудного тела на расстоянии, определяемом по формуле:

где α - локальный угол наклона борта (град.), определяемый путем перспективного проектирования технологии доработки рудных целиков с применением высоких уступов и крутых съездов; φ - угол падения рудного тела, град.

Верхняя часть борта (АВ) до глубины

 

отстраивается с максимальным приближением технологического борта к равноустойчивому профилю, имеющему обоснованный не ниже оптимального коэффициент запаса устойчивости для данной высоты. Нижняя часть борта (СА) отстраивается с таким расчетом, чтобы надежность борта САВ была не ниже оптимальной.

Далее, по специальной технологии дорабатывается целик полезного ископаемого CDA с формированием конечного борта DAB, имеющего меньшую на 15-20% надежность, что обосновывается относительно невысоким экономическим ущербом от возможной потери руды вследствие нарушения устойчивости борта.

По существу, данный способ позволяет определять перспективные параметры углубочной зоны на алмазных карьерах.

Согласно проведенным исследованиям, для алмазных карьеров высота углубочной зоны для месторождений с площадью рудного тела на уровне дна карьер меньше 30 тыс. м2 составляет от 60 до 90 м, для крупных месторождений с площадью рудного тела на уровне дна карьера до 100-120 тыс. м2 высота углубочной зоны может достигать 120-200 м.

Внедрение указанного способа в практику проектирования кимберлитовых карьеров привело к его дальнейшему развитию. Данный способ [5, 6] был доработан путем увеличения продольного уклона транспортных съездов до 300-360% и устройством перегрузочной площадки. При этом в нижней части рабочей зоны карьера по крутым съездам предполагается эксплуатировать гусеничные самосвалы, которые доставляют горную массу до перегрузочной площадки, откуда она в колесных автосамосвалах доставляется на поверхность (см. рис. 2 на стр. 68).

Отстройка нижнего уступа карьера по контакту рудного тела и сооружение временного съезда в границах рудного тела позволяет исключить разнос борта и уменьшить объем вскрыши. Транспортировка руды и вскрышных пород до перегрузочной площадки гусеничным транспортом позволяет работать на ограниченных по размеру рабочих площадках, осуществлять транспортировку руды и вскрышных пород по съездам с увеличенным продольным уклоном.

Сооружение капитального отсыпного съезда позволяет отработать целики кимберлита под временным съездом, т.е. обеспечивает полноту выемки полезного ископаемого, что дополнительно повышает эффективность предлагаемого способа.

Учитывая перспективность способа углубочных работ, АК «АЛРОСА» были инициированы поисковые работы по отработке нижней части кимберлитовых карьеров с применением углубочных комплексов. В составе таких комплексов -специальные транспортные средства, обеспечивающие возможность их безопасной эксплуатации на крутых уклонах и позволяющие резко сократить объемы вскрышных работ в контуре карьера и вовлечь в отработку дополнительные объемы полезного ископаемого.

Проведенный анализ всех известных транспортных средств показал (табл. 1), что в условиях алмазодобывающих карьеров наиболее технически приемлемы гусеничные самосвалы.

На основе исследований, проведенных институтом «Якут-нипроалмаз», технология горных работ с использованием гусеничных самосвалов планируется в ближайшее время к внедрению на карьерах «Комсомольский», «Удачный» и «Юбилейный», а в перспективе - для доработки всех действующих и проектируемых алмазных карьеров (табл. 2).

Одна из проблем внедрения гусеничных самосвалов в АК «АЛРОСА» заключается в полном отсутствии опыта эксплуатации, нормативно-методической базы и СНиПов по безопасной эксплуатации данного вида транспорта в карьерах мира. В России АК «АЛРОСА» одна из первых подошла вплотную к решению задачи по оснащению своих глубоких карьеров гусеничными самосвалами. Поэтому вынуждена в пионерном порядке разрабатывать нормативно-методические материалы и инструкции по их практическому применению.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Акишев А.Н., Бахтин В.А., Бабаскин С.Л. Управление развитием рабочей зоны кимберлитовых карьеров/ М.: Горная промышленность -№1-2003г.

2. Akishev A.N., Bachtin VA., Aleksandrov I.N. New bench construction/ Russian Mining №5-22003.

3. Akishev A.N., Bachtin VA., Bondarenko E.V. Oompleting stage of the development of deep kimberlite open pits in Yakutia. Technological advance / Russian Mining №6-2003.

4. Патент РФ №2180041 Е21С 41/46. Способ открытой разработки крутопадающих кимберлитовых месторождений.

5. Патент РФ №2294434 Е21С 41/26. Способ открытой разработки крутопадающих месторождений.

6. Решение о выдаче патента РФ от 09.06.2007 г. МПК Е21С 41 /26 (2006.01) к заявке № 2006124321/03 (026373 ) от 06.07.2006 г. Способ реконструкции карьера с двумя близкорасположенными рудными телами.

Журнал "Горная Промышленность" №2 2008, стр.75