Влияние горнотехнических условий разработки крутопадающих месторождений на формирование внутренних отвалов при доработке и реконструкции карьеров

Влияние горнотехнических условий разработки... месторождений... Габитов Р.М, Гавришев С.Е, Бондарева А.Р. идр.

РАЗРАБОТКА ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

УДК 622.271.3

Г абитов Р.М., Г авришев С.Е., Бондарева А.Р., Кузнецова Т.С., Литвинов А.М.

ВЛИЯНИЕ ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ РАЗРАБОТКИ КРУТОПАДАЮЩИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НА ФОРМИРОВАНИЕ ВНУТРЕННИХ ОТВАЛОВ ПРИ ДОРАБОТКЕ И РЕКОНСТРУКЦИИ КАРЬЕРОВ

Добыча полезных ископаемых открытым способом сопровождается выемкой значительных объемов вскрышных пород. При разработке крутопадающих месторождений основные объемы пород обычно размещаются на внешних отвалах, за пределами карьерного поля, и требуют отчуждения для них земельных площадей достаточно больших размеров.

Создание внутренних отвалов в отработанной части карьерного поля в некоторой степени позволяет решить проблему снижения землеемкости открытых горных работ. Возможность же складирования вмещающих пород в пределах отработанной части карьеров не всегда учитывается при проектировании разработки крутопадающих месторождений.

Вероятность эффективного складирования пород в карьере может увеличиться в том случае, когда режим горных работ в карьере взаимосвязан с процессом отвалообразования и горнотехническими условиями разработки месторождения (форма, размеры рудного тела, параметры карьера, вскрытие, система разработки и др.).

Влияние этих факторов можно рассмотреть на примере реконструкции карьера «Малый Куйбас» ОАО ММК в период с 2000 по 2018 гг., разрабатывающего месторождение магнетитовыхруд глубинного типа.

Магнетитовые руды залегают в раздробленных и метаморфизованных вулканических и осадочных породах в форме неправильных, преимущественно линзообразных тел. Рудоносная зона магнетитовых руд имеет длину около 2,5 км при ширине 150-400 м, прослеживается до глубины 1200 м.

Условно зона магнезитовых руд разделяется на 4 части: северную, центральную, южную, юго-восточную.

Наибольшее количество рудных тел и запасов сосредоточено в центральной (57 тел) и южной (61 тело) частях Длина по простиранию - 540 м, по падению - 300 м. Мощность рудных тел достигает 50 м, составляя в среднем 20 м для крупных тел и 12-15 м - для мелких тел. Падение рудных зон крутое на запад подуглом 50-80°.

Валунчатые мартитовые руды охватывают западный, северный и восточный склоны горы Малый Куйбас. Они образуют два горизонта: четвертичный и неогеновый.

Четвертичные валунчатые руды самостоятельного

значения не имеют. Среди неогеновых россыпей выделяются 8 рудных тел. Форма тел пластовая или линзообразная, длина по простиранию изменяется от 200 до 300 м, ширина 50-80 м, мощность от 1,0 до 24 (в среднем 7 м), глубина залегания - от 0 до 45 м (в среднем 13 м).

Нами, при проведении анализа влияния горнотехнических условий на эффективность формирования внутренних отвалов, рудные зоны условно разделены на 2 участка - Южный и Северный (рис. 1) и на северо-востоке выделена зона валунчатых мартитовых руд и обозначена как Малый Северный участок.

Горные работы в карьере ведутся с 1973 года. Месторождение вскрыто внутренними траншеями, заложенными на юго-западном, западном, северном и восточном бортах. На начало 2000 года глубина карьера в его южной части составляла 120-140 м, в северной -100-110 м (см. рис. 1), производительность по руде -

1.7 млн т/год, по вскрыше - 5,4 млнм3/год. Комплекс оборудования представлен буровыми станками СБШ-250МН, экскаваторами ЭКГ-5А, автосамосвалами БелАЗ-548.

После проведения дополнительных геологоразведочных работ и полученного прироста запасов полезного ископаемого в 1999 году институтом «Уралги-проруда» был разработан проект реконструкции карьера, предусматривающий увеличение глубины разработки на Северном участке до отметки гор.+190 м, а глубина Южного участка оставалась неизменной -отметка гор.+220 м (см. рис. 1). Расширение границ карьера позволяло вовлечь в разработку дополнительные объемы руды, которые, в основном, сосредоточены в северной части месторождения.

К началу работ (2000 г.) по проекту реконструкции карьера на его Южном участке объем запасов магнетитовыхруд составлял 3179 тыс. м3, вскрышных пород и строительного камня - 27930,2 тыс. м3, на Северном участке 6164,7 и 68205,1 тыс. м3 соответственно, т.е. наибольший объем вскрышных работ (более 60 млнм3) предстояло произвести на Северном участке. По этому участку эксплуатационный коэффициент вскрыши составит 3,1 м3/т, на Южном -2,61 м3/т. На момент завершения горных работ производительность карьера по руде должна увеличиться с

1.7 до 2,5 млн т руды в год, протяженность карьера по

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 1.

5

РАЗРАБОТКА ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

верху должна быть равна 2300 м, а ширина - 560 м.

Отработку месторождения по проекту рекомендуется вести сразу по всей плошдди карьерного поля на всех 3-х участках рудной зоны. При этом система разработки, технология и механизация производственных процессов практически не меняются, объемы вскрыши увеличиваются до 8,0 млн м3/год, период работы по добыче руды производительностью 2,5 млн т/год сохраняется в течение всею 3-х лет (рис. 2, а). В связи с этим возникает необходимость решения задач по изысканию рациональныхпоказателей системы разработки, вскрытия и направления развития горных работ, которые позволило бы увеличить период стабильной производительности по руде, стабильной величины эксплуатационного коэффициента вскрыши, разместить максимально возможный объем вскрыши внутри карьера и тем самым уменьшить грузопоток на внешние отвалы и затраты на транспортировку пород.

Анализ вариантов порядка отработки месторождения

С целью решения этих задач были выполнены расчетно-графические работы по изысканию рационального порядка отработки участков месторождения (Южного и Северного) при различных горнотехнических усло-

виях доработки месторождения. Порядок отработки месторождения с разделением на участки и этапы существенно влияет на эффективность возведения внутренних отвалов и наиболее целесообразно производить при разработке группы смежных залежей одним карьером. В этих условиях появляется возможность отрабатывать отдельные участки в такой последовательности, что обеспечивалась бы предусмотренная заданием производственная мощность предприятия. Так, по мере отработки одного из участков в разработку вовлекается другой, компенсирующий выбывающую мощность и дающий возможность использовать выработанное пространство первого из отработанных участков карьера для отвалообразования.

Выбор порядка отработки месторождения решается методом вариантов на основе анализа режима горных работ. В качестве одного из критериев оценки эффективности можно принять максимальный объем вскрышных пород, размещенных внутри карьерного пространства. На величину объема оказывают влияние, кроме порядка отработки, скорость углубки, ширина рабочей площадки, способы вскрытия и подготовки рабочих горизонтов, производительность карьера по руде.

Были рассмотрены варианты с производительностью карьера 2,0 и 2,5 млн т/год при различных скоростяхуг-лубки (15 и 20 м/год) и разной шир ине рабоч их пло щадо к.

Учитывая, что реконструируемый карьер имеет вытянутую в плане форму, а месторождение представлено, в основном, двумя рудными зонами - Южным и Северным участками, были проанализированы три варианта развития карьерного поля:

I - проектный - одновременная разработка Южного и Северного участков с одинаковой скоростью углубки;

II - поэтапная (последовательная) - вначале отрабатывается Южный, а затем Северный, имеющий меньшую глубину участка;

III - одновременная, но с различной интенсивностью, отработка Южного максимально возможной скоростью углубки и Северного - минимально допустимой.

При I проектном варианте горные работы ведутся одновременно с одинаковой интенсивностью углубки. В этом случае возможна отработка месторождения широкими площадками, малэй скоростью углубки, невысокими скоростями продвижения фронта работ. Недостатком этого вари-

Рис. 1. Схема отработки месторождения с разделением его на участки: а - продольный разрез карьера на начало реконструкции; б - продольный разрез карьера на момент завершения добычных работ на Южномучастке; в - продольный разрез карьера и внутренних отвалов на конец отработки

месторождения

6

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 1.

Влияние горнотехнических условий разработки... месторождений... Габитов Р.М, Гавришев С.Е, Бондарева А.Р. идр.

анта, как показал анализ режима формирования карьерного пространства, является довольно высокий текущий коэффициент вскрыши - от 3,2 до 5,3 м3/т и небольшой объем вскрышных пород (3,0 млнм3), отсыпаемых в отработанное пространство Южного участка.

Последовательная отработка участков (II вариант) требует высокой интенсивности производства горных работ на каждом участке для достижения необходимой (директивной) мощности 2,5 млн т руды в год. Но проведенные исследования показали, что для выполнения этой задачи необждимо, чтобы ширина рабочих площадок была минимальной, около 30 м, а скорость уг-лубки - свыше 25 м/год. При таких горнотехнических условиях (форма и размеры карьера, мощность залежей, ширина рабочей площадки, скорость углубки и др.) доработка месторождения с производительностью 2,5 млн труды в год практически не осуществима.

В случае же обоснования производительности карьера по горным возможностям одною из участков поэтапная последовательная отработка могла бы быть самой эффективной, так как вскрышные породы участка, который отрабатывался бы в последнюю очередь, можно было почти полностью разместить в отработанном пространстве перво го участка. Так, для условий карьера «Малый Куйбас» производительность по горным возможностям Южного участка может быть равной 1,2-1,5 млн т/год. Тогда породы Северного участка, в объеме более 60 млн м3, были бы размещены в пределах отработанного Южного участка карьера.

III вариант первоочередной разработки Южного участка с постепенным вводом мощности Северного участка для условий карьера «Малый Куйбас» является наиболее предпочтительным. Эта схема предусматривает интенсивную отработку Южного участка со скоростью углубки 15-20 м/год, а на Северном участке горные работы ведутся с той степенью интенсивности, которая необхэдима для достижения проектной (директивной) мощности 2,5 млн т/год. Здесь, на Северном участке, расчетные скорости углубки могут изменяться от 3-5 м/год в начальные периоды доработки, до 20-23 м/год - в конце.

Этот вариант является наиболее приемлемым еще по следующим причинам:

- к моменту реконструкции карьера максимальное понижение горных работ достигнуто на Южном участке (см. рис. 1, а);

- контуры карьера в пределах этого участка практически не требуют расширения (рис. 3, а);

- сравнение оставшихся объемов вскрыши (28,7 млнм3 на Южном и 64,6млнм3 на Северном) позволяет сделать вывод о целесообразности первоочередной отработки Южного участка и формирования здесь внутреннего отвала.

То есть вариант одновременной, но с различной интенсивностью отработки участков месторождения (Южный отрабатывается интенсивнее, чем Северный) позволяет достичь максимально возможных объемов вскрыши, размещаемых внутри карьерного пространства при реконструкции карьера «Малый Куйбас», и является наиболее рациональным.

4 п 8 10 12 14 16 1S T.IPT

Рис. 2. Календарные планы производства вскрышных и добычных работ при различных вариантах отработки месторождения

Способ подготовки рабочих горизонтов, влияние параметров показателей системы разработки

Для выбора рационального способа подготовки рабочих горизонтов, определения параметров и показателей систем разработки были рассмотрены варианты с

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 1.

7

РАЗРАБОТКА ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Рис. 3. Варианты вскрытия месторождения «Малый Куйбас»: а - по проекту 1973 года на начало реконструкции; б - по проекту 1999 года и с организацией внутреннего отвала; в и г - варианты вскрытия при разновременной отработке участков карьера и с организацией внутренних отвалов на севере и юге карьера; 1, 2 - контуры карьера соответственно по проекту 1973 и 1999 годов;

3 - схема трассы вскрытия; 4 - контуры внутренних отвалов

продольным, поперечным развитием фронта горных работ и вскрытием со стационарными съездами, а также способ подготовки временными съездами и разрезными котлованами для случая одновременной, но с различной интенсивностью порядка отработки участков.

Как показал проведенный горно-геометрический анализ развития карьерного пространства, последний способ подготовки рабочих горизонтов является наиболее рациональным, так как способствует более равномерному, с постоянным коэффициентом вскрыши, распределению объемов вмещающих пород и руды в течение более длительного периода времени. Так, при скорости углубки Южного участка 17 м/год и ширине рабочей площадки 30 м срок службы карьера составит 17,5 лет (рис. 2, б). Из них в течение 10 лет может добываться руда в требуемых объемах - 2,5 млн т/год, а производительность по вскрыше в этот период составит 8,4 млн м3/год. В последующие 6 лет работы карьера производительность по руде снижается до 1,0 млн т/год. Южный участок карьера отрабатывается через 11 лет после начала реконструкции и в течение 6,5 лет может производиться отсыпка пород во внутренние отвалы. В это время глубина Северного участка достигнет 230 м. Емкость внутреннего отвала составит 13,6 млн м3.

Иные результаты наблюдаются при производстве горных работ с другими скоростями углубки и разме-

рами рабочей площадки (табл. 1).

При предполагаемой скорости углубки дна Южного участка 20 и 25 м/год срок службы карьера уменьшается соответственно до 16,5 и 14,5 лет, периоды стабильной производительности по руде в 2,5 млн т/год составят 8,8 и 13,5 лет, а объемы внутреннего отвала увеличатся соответственно на 44 и на 200%. Увеличение скорости углубки на Южном участке уменьшает срок его отработки, и формирование внутреннего отвала может начаться раньше, чем это было бы при малых скоростях понижения горных работ. Кроме того, при увеличении скорости углубки производительность участка по руде повышается и, значит, менее интенсивно отрабатывается Северный участок, руда которою требуется для компенсации недостающей части заданной производительности. И количество пород, складируемых во внутренний отвал, будет увеличиваться. Влияние ширины рабочей плошддки на емкость отвала не столь велико по сравнению со скоростью углубки. Для условий отработки месторождения «Малый Куйбас» увеличение ширины на 10 м снижает емкость отвала на 8°%. Наибольшей величине объема внутреннего отвала соответствуют ширина площадки 30 ми скорость углубки 25 м/год (см. табл. 1).

Увеличение скорости углубки ведет и к уменьшению текущего коэффициента вскрыши на первом эта-

8

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 1.

Влияние горнотехнических условий разработки... месторождений... Габитов Р.М, Гавришев С.Е, Бондарева А.Р. идр.

Таблица 1

Влияние скорости углубки и ширины рабочей площадки на объем внутреннего отвала

Скорость углубки, м/год Ширина рабочей площадки, м

30 40 50

Объем внутреннего отвала, млн м3

17,0 13,6 12,4 11,2

20,0 19,6 18,0 16,4

25,0 40,8 38,0 35,2

Таблица 2

Влияние скорости понижения горных работ и ширины рабочей площадки на текущий коэффициент вскрыши

Ширина рабочей площадки, м Скорость углубки, м/год

17 20 25

Текущий коэффициент вскрыши, м3/т

30,0 3,36 3,28 3,12

40,0 3,60 3,44 3,20

50,0 3,84 3,64 3,28

пе отработки (табл. 2). Объясняется это тем, что темп работ на Южном участке при увеличении скорости удовлетворяет требованиям по производительности, и Северный участок практически не вовлекается в работу, а общий эксплуатационный коэффициент вскрыши на Южном участке меньше, чем на Северном.

Из табл. 2 видно, что текущий коэффициент вскрыши с уменьшением ширины рабочей площадки уменьшается, так как вскрыша относится на более поздний период.

Таким образом, из рассмотренного примера отработки месторождения следует, что из ряда анализируемых параметров и показателей системы разработки наиболее эффективным является сочетание величин ширины рабочей площадки и скорости углубки, равные соответственно 30 ми 25 м/год, при этом максимально возможный объем внутреннего отвала может составить 40,8 млн м3.

Влияние способа вскрытия

Создать дополнительное пространство для размещения вскрышных пород в пределах карьерного поля позволяет использование еще одного участка, который следует отработать в первую очередь или параллельно с Южным участком. Это торцевая часть Северного участка карьера. Здесь после выемки запасов полезного ископаемого, где сосредоточенно порядка 3 млн м3 валунчатых мартитовых руд (извлекаемые руды можно разместить во временных отвалах с тем, чтобы в дальнейшем использовать при производстве концентратов), а освободившуюся же площадь можно использовать под отвал. Но по проектной схеме вскрытия организация отвала здесь невозможна, так как по борту проходит стационарная трасса,

(рис. 3, б). Поэтому, чтобы производить отсыпку отвала, необходимо изменить схему вскрытия. Один из возможных вариантов вскрытия показан на рис. 3, в. При отработке по такой схеме объем пород, размещаемых в торце карьера, составит 12 млн м3 при скорости углубки Южного участка 17,0 м/год, а общий объем отвальных пород, включая объем Южного участка карьера - 25 млн м3 (рис. 2, в).

Изменение схемы вскрытия и режима отработки не повлияло на распределение объемов руды и вскрыши в наклонных слоях, а на Северном - распределение стало более равномерным и исчезли пиковые объемы вскрыши.

Календарный план работы карьера (рис. 2, в) по этому варианту имеет следующие характеристики:

- срок отработки карьера - 16 лет;

- производительность по вскрыше в I этапе -

8.0 млн м3, по руде - 2,5 млн т, продолжительность этапа - 12 лет;

- производительность по вскрыше во II этапе -

1.1 млн м3, по руде - 0,8 млн т, продолжительность этапа - 4 года.

На рис. 3, г и 2, г показаны схемы вскрытия, календарный план горных работ при измененных контурах Северного участка. В случае исключения из отработки запасов валунчатых руд в торце Северного участка, принятое в связи с невозможностью их обогащения в условиях ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», потребуется изменение параметров карьера и схемы вскрытия с заложением въездной траншеи в северной части карьера.

Для этого варианта также был выполнен горногеометрический анализ при ширине рабочей площадки 30 м, скоростях углубки 17, 20 и 25 м/год. Показатели работы карьера (см. рис. 2, г) при скорости углубки 17 м/год:

- срок службы карьера - 15 лет;

- срок отработки Южного участка - 11 лет;

- производительность карьера по вскрыше -

7.1 млн м3 и по руде - 2,5 млн т;

- объем внутреннего отвала - 12 млн м3.

Полученные данные влияния способов вскрытия,

порядка отработки месторождения, показателей и параметров системы разработки свидетельствуют о необходимости решения вопросов размещения вскрышных пород во взаимосвязи с режимом формирования карьерного пространства. То есть проектирование горных работ в карьере должно производиться совместно с решением задач размещения пород вскрыши. В целом, в зависимости от режима формирования карьерного пространства емкость внутренних отвалов в услэвиях реконструкции карьера «Малый Куйбас» может иметь значения от 3,0 до 40 млн м3, что, в свою очередь, позволяет снизить землеемкость отвалов в среднем на 6080 га, грузооборот - на (100-300)-106 ткм.

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 1.

9