СПОСОБ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КРИОЛИТОЗОНЫ
METHOD OF OPEN MINING OF CRYOLITHIC ZONE FIELDS

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и предназначено к использованию при открытой разработке месторождений твердых полезных ископаемых в условиях криолитозоны.
Разработка месторождений полезных ископаемых открытым способом заключается в создании доступа к полезному ископаемому, удалении пустых пород, покрывающих или вмещающих полезное ископаемое, и самой добыче полезного ископаемого. То есть, под открытыми горными работами понимается комплекс работ, производимых с земной поверхности с целью добывания разнообразных горных пород и создания различных выемок и котлованов [1-4]. В процессе работ по извлечению полезного ископаемого образуется открытое выработанное пространство, представляющее собой совокупность образующихся при этом различных горных выработок, которое носит название карьера.
К основным элементам (характеристикам) карьера относится его глубина. На поверхности земли выработанное пространство ограничивается границами карьерного поля, по глубине - дном карьера. Разработка горных пород внутри карьерного поля производится, как правило, горизонтальными слоями, вследствие чего профиль карьера имеет ступенчатую форму.
Отдельный слой, который разрабатывается самостоятельными средствами рыхления, выемки и перемещения, называется уступом. Основные элементы уступа - две площадки, (верхняя и нижняя), откос, две бровки и забой. Часть уступа по высоте, разрабатываемая самостоятельными средствами рыхления, погрузки, но обслуживаемая транспортом, общим для всего уступа, называется подуступом. Откосом уступа называется наклонная поверхность, ограничивающая уступ со стороны выработанного пространства между верхней и нижней площадками уступа.
Совокупность различных площадок и откосов всех уступов называется бортом карьера. Борт карьера, на котором производятся горные работы, называется рабочим бортом карьера, при отсутствии горных работ - нерабочим бортом карьера. Линия пересечения бортов карьера с земной поверхностью называется верхним контуром карьера. Линия пересечения бортов с дном карьера называется нижним контуром карьера. Условная поверхность, проходящая через нижний и верхний его контуры, называется откосом борта карьера. Угол, образованный линией откоса борта карьера и ее проекцией на горизонтальную плоскость, называется углом откоса борта карьера.
Недостатком такой технологии открытых горных работ в условиях месторождений криолитозоны является то, что непосредственная выемка многолетнемерзлых горных пород ввиду их значительной прочности с применением землеройной техники зачастую невозможна. Необходима их предварительная подготовка. В этой связи, наиболее близким по технической сути и достигаемому эффекту является способ разработки вскрышных пород, включающий подготовку земной поверхности (вырубка леса, отвод рек, перенос дорог и т.д.), горно-капитальные работы (проведение капитальных, разрезных траншей, удаление некоторого строительного объема вскрышных пород для пуска карьера в эксплуатацию…), период эксплуатации: горно-подготовительные работы по вскрытию очередного рабочего горизонта-уступа, вскрышные и добычные работы; технологические процессы в карьере: подготовку пород к выемке (бурение, заряжание, взрывание), выемочно-погрузочные работы, перемещение горной породы (транспорт пустых вскрышных пород и полезного ископаемого) и отвалообразование, складирование и рудосортировка на складах [1]. При этом основными методами подготовки горных пород к выемке являются оттаивание мерзлых пород, буровзрывное или механическое рыхление.
Оттаивание мерзлых пород может быть естественным или искусственным и нашло применение в основном при разработке россыпных месторождений и на некоторых карьерах стройматериалов. Эти способы подготовки основаны на учете известных распределений температуры в горных породах, в зависимости от глубины в различные периоды времени [5] и зависимостях сопротивления мерзлых грунтов на изгиб, разрыв и сжатие от их температуры [6].
Естественное оттаивание происходит под действием солнечной радиации. Его интенсивность зависит от частоты снятия талого слоя. Снятие талого слоя бульдозерами или скреперами производится по всей площади полигона не реже 1 раза в сутки. Эффективность работы выемочно-транспортирующих машин зависит от глубины оттаивания (площади срезаемой стружки) и от наличия валунов в оттаивающих рыхлых отложениях. Глубина и скорость естественного оттаивания мерзлых пород зависят от температуры наружного воздуха, состава породы и ее влажности и при непрерывной очистке оттаявших пород может достигать 25-35 см в сутки. Способ естественного оттаивания характеризуется простотой и небольшими затратами.
В сильно льдонасыщенных породах, а также при необходимости создания запаса талых пород для работы осенью применяют естественное оттаивание с накоплением талого слоя. Интенсивность оттаивания в этом случае ниже, чем при систематическом снятии талого слоя.
Основным методом искусственного оттаивания мерзлых горных пород является гидроигловой, используемый в основном для подготовки дражных полигонов. Применение гидроиглового оттаивания пород в комплексе с выемочными и выемочно-транспортирующими машинами позволяет интенсифицировать горные работы и увеличивает глубину открытой разработки многолетнемерзлых россыпей.
Существует также фильтрационно-дренажная оттайка, которая может применяться при подготовке пород к вскрыше, в тех случаях, когда коэффициент фильтрации рыхлых отложений, слагающих торфа превышает 50 м/сутки, а также дождевальная оттайка, которая рекомендуется при необходимости оттайки отвалов торфов или хвостов промывки прошлых лет.
В связи с постоянно увеличивающейся мощностью землеройной техники широкое распространение нашло механическое рыхление, осуществляемое бульдозерами с рыхлительными агрегатами.
Буровзрывное рыхление также нашло широкое применение, и не только на месторождениях с достаточно большими объемами производства горных работ. Здесь в зависимости от горнотехнических условий буровзрывная подготовка осуществляется шпуровыми или скважинными зарядами.
Из анализа вышеприведенных аналогов [1] видно, что открытая разработка месторождений полезных ископаемых карьерами, с предварительной подготовкой многолетнемерзлых пород к выемке различными способами (в том числе и с использованием солнечной инсоляции), широко известна.
Несмотря на многолетний и успешный опыт ведения открытых горных работ в суровых климатических условиях Севера, с использованием общепринятых классических элементов карьерного пространства, способов подготовки горных пород к выемке, эффективность открытых разработок можно повысить за счет более полного использования воздействия солнечной инсоляции внутри карьерного пространства.
Дело в том, что все вышеописанные технологические приемы ведения горных работ и способы подготовки многолетнемерзлых пород к выемке в условиях Севера, с использованием известных элементов карьерного пространства, имеют один общий недостаток: положительный эффект растепления, разупрочнения массива под воздействием солнечной инсоляции осуществляется путем использования одного или двух поверхностей обнажения: обычно это поверхность полигона или откос и площадка уступа.
Воздействие солнечной инсоляции на массив многолетнемерзлых горных пород, а соответственно его разупрочнение, можно усилить путем создания зон интенсивного теплооборота горных пород в виде блоков активного климатического воздействия (далее - блоки АКВ).
Предлагаемый способ открытой разработки месторождений криолитозоны, включающий подготовку земной поверхности, горно-капитальные работы, горно-подготовительные работы, вскрышные и добычные работы, технологические процессы в карьере: подготовку пород к выемке (бурение, заряжание, взрывание), выемочно-погрузочные работы, перемещение горной породы (транспорт пустых вскрышных пород и полезного ископаемого), и отвалообразование, отличающийся тем, что в процессе подготовки очередного горизонта создают зоны интенсивного теплооборота в горных породах в виде блоков активного климатического воздействия (блоки АКВ), путем прохождения выработок, служащих для создания дополнительной обнаженной поверхности блока АКВ.
При этом в зависимости от горнотехнических условий месторождения блоки располагают вдоль или перпендикулярно направлению развития фронта горных работ.
Предлагаемое техническое решение, основанное на известных зависимостях температурного режима в массиве пород зоны многолетней мерзлоты [5], взаимосвязях прочности горных пород от температуры [6], обладает новизной и изобретательским уровнем.
Предлагаемая технология имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом:
- за счет дополнительной свободной поверхности интенсифицируется теплооборот в горных породах блока;
- прочностные характеристики пород снижаются с повышением средней температуры блока, появляется возможность осуществить выемку пород блока без предварительной подготовки, или затраты на подготовку пород к выемке (ВВ, СВ, ГСМ) могут быть существенно снижены;
- снижается себестоимость разработки месторождения;
- уменьшаются вредные выбросы в атмосферу.
Возможность осуществления данного открытого способа разработки зависит от горнотехнических условий месторождения, термомеханического состояния пород и их теплофизических свойств, параметров рабочей зоны карьера и характеристик горно-добычного оборудования.
На фиг. 1 показан способ открытой разработки месторождений криолитозоны с созданием зон интенсивного теплооборота в горных породах.
Способ осуществляется следующим образом. После подготовки земной поверхности выполняют горно-капитальные работы и горно-подготовительные работы, вскрышные и добычные работы, подготовку пород к выемке (бурение, заряжание, взрывание), выемочно-погрузочные работы, перемещение горной породы (транспорт пустых вскрышных пород и полезного ископаемого) и отвалообразование. В процессе подготовки очередного горизонта создают зоны интенсивного теплооборота в горных породах в виде блоков активного климатического воздействия (блоки АКВ), путем прохождения выработок, служащих для создания дополнительной обнаженной поверхности блока АКВ.
При этом в зависимости от горнотехнических условий месторождения блоки располагают вдоль или перпендикулярно направлению развития фронта горных работ.
Параметры блоков, время их отработки определяют с учетом температурно-климатических характеристик района работ, теплофизических свойств горных пород, характеристик горно-добычного оборудования во взаимосвязи со степенью разупрочнения массива пород в блоке.
Так, например, для условий одного из месторождений центрального района республики Саха (Якутия) распределение температуры до глубины 10 метров в массиве даже без учета дополнительной свободной поверхности выглядит следующим образом.
Отсюда видно, что средняя температура в массиве до глубины 10 метров с апреля по сентябрь изменилась от -4,45 до +2,13°С. Полученные данные свидетельствуют о том, что процесс разупрочнения пород в блоках АКВ будет еще интенсивнее и позволит снизить прочность пород не только с помощью послойного снятия грунта, но и с помощью дополнительной обнаженной поверхности блоков АКВ. Это позволит осуществить выемку породы не путем бульдозерного способа со значительными затратами ГСМ и др. расходами, а оперативно комплексом экскаватор-автосамосвал за короткий промежуток времени.
Источники информации
1. В.В. Ржевский. Процессы открытых горных работ. - М.: Недра, 1978. - 542 с.
2. Ю.И. Анистратов. Технология открытых горных работ: Учеб. пособие для вузов. - М.: Недра, 1984. - 287 с.
3. Н.Н. Рогатин. Технология и механизация открытых горных работ. M., Недра, 1982. - 277 с.
4. Проектирование карьеров: Учебник / К.Н. Трубецкой, Г.Л. Краснянский, В.В. Хронин, B.C. Коваленко. - 3-е изд., перераб. - 2009. М.: Высш. шк. - 694 с.
5. Общее мерзлотоведение (геокриология), изд. 2, переработанное и дополненное. Учебник. Под ред. В.А. Кудрявцева - М.: Изд-во МГУ, 1978. - 464 с.
6. А.Н. Зеленин. Основы разрушения грунтов механическими способами, изд. 2, переработанное и дополненное. М.: Изд-во Машиностроение, 1968, 375 с.