Возможности углубочной системы разработки с группированием уступов

УДК 622.271.324

© А.Ё. Билин, C.B. Казачков, Г.О. Наговицын, 2015

А.Л. Билин, С.В. Казачков, Г.О. Наговицын

ВОЗМОЖНОСТИ УГЛУБОЧНОЙ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ С ГРУППИРОВАНИЕМ УСТУПОВ*

Предложено развитие теоретических и методических основ расчета углу-бочной системы разработки при воспроизводстве готовых к выемке и подготовленных запасов руды. Обеспечивается планомерно-цикличное развитие рабочей зоны карьера для разных темпов углубки карьера. Ключевые слова: параметры углубочной системы разработки, углубка карьера, концентрация горных работ, шаг подвижки борта.

Ковдорский горно-обогатительный комбинат (ГОК) явился в России пионером применения новой конструкции борта карьера, использующей уступы с вертикальными откосами. Для реализации нового этапа разработки месторождения была выполнена доразведка запасов в интервале -350^-660 м, на основе которой проектным институтом «Гипроруда» выполнено технико-экономическое обоснование кондиций.

При переходе от существующего проектного контура с отметкой дна -350 м к новому, с дном на -660 м, предполагается осуществить частичную реконструкцию борта карьера с вовлечением в отработку запасов руды в торцах карьера и по бокам рудной залежи за пределами существующего проектного контура. Работы по реконструкции карьера будут осуществляться параллельно с дальнейшей углубкой карьера в рамках существующего проектного контура, который будет переведен в статус этапного контура (с небольшими конструктивными изменениями). При новой конструкции борта карьера угол его наклона существенно повышается (до 50-55-60 градусов) в различных инженерно-геологических секторах нижней зоны карьера. Ввиду этого расстояние между реконструируемым и новым проектным контурами составляет относительно малую величину - работы по разносу существующего борта будут сопровождаться работами по его постановке в новое конечное положение.

Исследования выполнены в рамках гранта по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» № 14-1700761 (научн. рук. акад. Н.Н. Мельников).

При этом встал вопрос о необходимости обеспечения высоких темпов углубки, особенно при доработке карьера. Известно, что темп понижения добычной зоны карьера зависит от активной рудной площади. По мере сокращения активных рудных площадей для сохранения производительности карьера следует повышать скорость углубки. А для этого необходимо приводить параметры вскрышной зоны карьера в соответствие с темпом углубки добычных работ.

Вопрос обоснования параметров системы разработки открытых горных работ был рассмотрен применительно к трем производи-тельностям - 16, 20 или 25 млн т руды в год. При этом в будущем возможен переход бортового содержания по условному железу с 15 на 9 %. Все это задало необходимый диапазон вариантов расчета.

Лаже сохранение производительности карьера по руде на прежнем уровне (16 млн т в год при бортовом содержании Реусл>15 %) требует повышения темпа углубки карьера с 9 м/год на отметке -260 м до 16 м/год на отметке -500 м и до 26 м/год на отметке -590 м.

Технологическим решением, направленным на управление развитием карьерного пространства, является массированное применение временно нерабочих бортов (ВНБ) в карьере и переход от пологих рабочих зон, при переносе ВНБ из одного промежуточного положения в новое, к горизонтальным рабочим зонам с расчётом параметров перестановки нерабочего борта в новое нерабочее положение [1, 2] (рис. 1).

Предлагаемый подход к определению параметров системы разработки с концентрацией горных работ и группированием уступов позволяет рассчитать параметры концентрации вскрышных работ, обеспечивающие соразмерное развитие вскрышных и добычных работ, своевременное восполнение подготовленных и готовых к выемке запасов руды. Лля этого в карьере выделяют относительно пологую добычную и вскрышную зоны. Последняя отрабатывается крутыми слоями, которые формируются под углами у промежуточного ВНБ. ВНБ отрабатывается сверху, «скользя» вниз.

>4 /6 5 Л

Рис. 1. Схема формирования рабочей зоны карьера: 1 - глубокий карьер; 2 - рудное тело; 3 -этапы разработки вскрышных пород; 4 - горизон-

ных пород; 4 - горизонтальные рабочие участки; 5 -ВНБ; 6 - добычная зона

Рис. 2. Схема участка зоны переноса ВНБ

В зоне переноса ВНБ из одного положения в другое (рис. 2) работает экскаватор, который отрабатывает полосу готовых к выемке запасов шириной Ь на блоке длиной LБ, перемещается в дальнейшем на нижележащий горизонт и отрабатывает вскрытый и подготовленный им же блок. На соседних по фронту и высоте рабочих участках ведется аналогичная работа.

Конструктивное число уступов, параметры рабочей площадки и временно нерабочего борта рассчитываются таким образом, что ко времени вхождения ВНБ в рудную зону вышележащая площадка по разносу целика опустится на уровень этой отметки и восстановит подготовленные запасы для углубки на следующий этап, обеспечивая бесперебойность добычи.

Реализацию предложенного технического решения [2] удобно представить на конкретном примере: ВНБ сформирован со стороны висячего бока залежи; угол падения рудного тела в = 60°; скорость углубки карьера Ьвд = 10 м/год; высота рабочих уступов Иу = 12 м; угол откоса уступа а = 80°; конструктивный угол ВНБ ф = 35°.

Лополнительно необходимо задаться некоторыми технологическими показателями:

1. Количество готовых к выемке запасов

Отсюда - темп понижения вскрышных работ при перестановке ВНБ в новое положение - 3 уступа в год или 36 м/год: Ьвв = Ьу / Кз = 12/0,33=36 м/год.

Минимальное но нормам проектирования значение Кз, равное 0,25, ограничивает интенсивность разноса целика четырьмя уступами в год, а большее, чем 0,333, значение Кз снижает интенсивность горных работ по разносу целика.

2. Глубина обеспеченности подготовленными к выемке запасами руды N = 2 уступа. Ланный параметр характеризует шаг передвижки ВНБ Ь, обеспечивая углубку добычной зоны на заданное количество уступов. Приемлемыми значениями являются

2ч3 уступа. При Ко = 1 полоса отработки и передвижки ВНБ становится очень узкой, а при Ко > 3 сокращается длина экскаваторного блока, что затрудняет организацию работ в плане.

Ширина полосы отработки (для висячего бока залежи): b = К Ьу х (Ctg ф ± Ctgß ) = 2 х 12 х (1.43 + 0.58) « 48 м (3) где ф и ß - конструктивный угол ВНБ и угол направления углубки карьера, соответственно, «+» при размещении рабочей зоны со стороны висячего бока залежи, «-» - со стороны лежачего бока; Ьу - высота уступа, м; Ко - технологический показатель обеспеченности подготовленными запасами руды (глубина слоя, «этапа»), число уступов.

Длина экскаваторного блока: LB = Q3-K3/ Ьу-b) = 1.2-106-0.33 / (12-48) = 695 м « 700 м, (4) где Qs - производительность экскаватора, м3/год; К3 - показатель обеспеченности готовыми к выемке запасам горной массы на рабочей площадке.

Конструктивное число уступов между смежными рабочими площадками:

N = К Ч ( Ьвв / Ьвд - 1) = 2-(36/10 - 1) = 5,2 « 5 уступов (5) где Ьвд - вертикальная скорость понижения добычных работ -скорость углубки карьера, м/год.

Конструктивный угол рабочего борта: Сдфрб = Ctgф+Nо/Nк•

где а - угол откоса уступа, градус.

Ширина рабочей площадки: ВР = Вк+ b = 15 + 48 = 63 м.

Таким образом, экскаватор работает на площадке шириной 63 м, отрабатывает полосу шириной 48 м и длиной около 700 м с интенсивностью 3 уступа в год. Через 5 уступов вверх и вниз располагаются аналогичные рабочие зоны (рис. 3). Бермы консервации на ВНБ составляют 15 м. Стабильность добычи поддерживается следующим образом: за время опускания добычных работ на 2 уступа (т.е. через 2,4 года или 29 месяцев) к моменту вхождения временно нерабочего борта в рудную зону отстоящая от него на 5 уступов площадка по разносу целика опустится на 7 уступов и восстановит объем подготовленных запасов для понижения добычной зоны карьера на следующие два уступа. При такой динамике работ средний угол наклона рабочего борта составит 24°.

Рис. 4. Схема развития транспортных коммуникаций для отработки целика длиной в один (а), два (б) или три (в) экскаваторных блока

Рис. 3. Схема отработки целика длиной в один экскаваторный блок: 7 - участок буровых работ; 8 - участок экскавации; 9 -призабойные и 10 - магистральные временные автосъезды, 11- магистральная постоянная последовательно-петлевая система съездов

Следует подчеркнуть, что для обеспечения устойчивой грузотранспортной связи с рабочими зонами по флангам ВНБ необходимо оставить транспортные бермы к магистральным (выдачным) системам транспортных коммуникаций, которые связываются между собой системами поступательных временных съездов (рис. 4).

При этом, учитывая замкнутость карьерного пространства, магистральная система транспортных коммуникаций может быть и одной, расположенной на противоположном от целика борту карьера.

Количество уступов по высоте между смежными транспортными бермами:

N = 2-1б /

где 1 - продольный уклон автосъезда, доли ед.; Ь0 - длина площадки примыкания, м. После состыковки систем съездов с противоположных сторон целика грузопотоки переносятся на новую систему коммуникаций, а связь с прежней можно прерывать. Если целик включает более

чем один экскаваторный блок, то для автономной работы каждого блока необходимо поддерживать стационарные сквозные транспортные съезды. Только при наличии описанной системы магистральных коммуникаций может быть обеспечена непрерывная транспортная связь с рабочими участками по переносу ВНБ при высокой вертикальной скорости их понижения.

При работе по данной системе разработки рабочие площадки имеют размеры, обеспечивающие более высокую, по сравнению с работой в стесненных условиях, производительность буровых и погрузочных работ, снижается количество переносов временных транспортных коммуникаций. Кроме того, за счет увеличения угла наклона рабочего борта появляется возможность перераспределения значительных объемов вскрышных работ на последующие периоды, снижения коэффициента неравномерности вскрышных работ и, следовательно, эксплуатационного коэффициента вскрыши. Если построить зависимость Vmin=f(P) интегрального графика режима горных работ проф. А.И. Арсентьева [3] и определить необходимый усредненный на первый период эксплуатационный коэффициент вскрыши, то он окажется примерно на 7 % меньше, чем в случае традиционных 18° угла наклона рабочего борта.

Для условий карьера Ковдорского ГОКа: берма на ВНБ - 10 м; угол откоса рабочих уступов - 80°; высота уступов - 15 м. Конструктивный угол ВНБ ф (до вписывания транспортных берм) составляет около 50°. Падение рудных тел - вертикальное, т.е. 90°. При обеспеченности подготовленными запасами N в 2 уступа шаг подвижки борта равен 25,5 м. При производительности экскаватора 1,2 млн м3/год длина экскаваторного блока - 785 м. Количество готовых к выемке запасов (ГВЗ) вскрыши Мгвз соответствует 3 месяцам работы экскаватора.

При заданных условиях предельный темп углубки составляет 40 м в год (табл.).

При малых темпах углубки (10 и 15 м/год) количество уступов между смежными площадками по переносу ВНБ в новое положение составит, соответственно, 10 и 6 уступов, а угол наклона вскрышной части рабочей зоны является довольно высоким - 44,7° и 41,7°.

При этом для обеспечения прироста производительности карьера необходимо не только повысить количество экскаваторов пропорционально росту производительности, но и трансформировать (выположить) рабочую зону карьера под новый темп углуб-ки. Последовательность действий выглядит следующим образом:

1. Повышение количества экскаваторов;

Таблица

Параметры вскрышной зоны

Показатели Варианты расчета

1 2 3 4 5

Темп углубки, Ьвд, м/год 10 15 20 30 40

Обеспеченность ГВЗ, .ГВЗ, мес. 3 3 3 3 3

Коэффициент обеспеченности ГВЗ, КЗ 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25

Темп разноски ВНБ, Ьвв, м/год 60 60 60 60 60

Длина блока 1.Б, м 784,3 784,3 784,3 784,3 784,3

Конструктивное количество уступов, .к, ед. 10 6 4 2 1

Угол наклона вскрышной зоны, фрб 44,7° 41,7° 38,3° 30,7° 21,6°

2. Трансформация рабочей зоны карьера под новый темп уг-лубки;

3. Повышение производительности карьера и темпа углубки.

Следует отметить, что исключение действия № 2 делает невы-

полнимоым (в длительной перспективе) и действие № 3. В краткосрочной перспективе темп углубки (и производительность) могут быть повышены сразу, но при этом нарушится цикличность восполнения подготовленных запасов.

Применительно к карьеру Ковдорского ГОКа данное условие приводит к тому, что выбытие вскрышных работ со списанием или консервацией вскрышных экскаваторов следует осуществлять лишь после соответствующего выполаживания вскрышной зоны, что будет создавать необходимые условия для повышения темпа углубки карьера.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Билин А.Л. Расчёт параметров групповой системы разработки // Проблемы открытой разработки глубоких карьеров. Материалы международного симпозиума по открытым горным работам «Мирный-91» - Удачный: НИЦ «Мастер», 1991, т. 1 - с. 159-180.

2. Билин А.Л. Способ отработки глубоких карьеров. Патент России 1799419 А3, приоритет от 9.10.89, код МСИ Е21 С41/26, положительно решение 28.02.93. Бюлл. № 8.

3. Арсентьев А.И. Определение производительности и границ карьера. -М.: Госгортехиздат, 1961. - 243 с. ГГШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Билин А.Ё. - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, Горный институт КНЦ РАН, bilin@goi.kolasc.net.ru,

Казачков C.B. - главный горняк, Ковдорский горно-обогатительный комбинат, ОАО «ЕвроХим», Sergey.Kazachkov@eurochem.ru, Наговицын Г.О. - аспирант, Горный институт КНЦ РАН.

UDC 622.271.324

POTENTIAL OF DOWN-HOLE MINING METHOD WITH GROUPING BENCHES

Bilin A.L., leading researcher, Ph.D. (Eng.), bilin@goi.kolasc.net.ru, Mining Institute of the Kola Science Centre Russian Academy of Sciences, Apatity, Russia,

Kazachkov S.V., chief miner, Sergey.Kazachkov@eurochem.ru, Kovdorsky Mining-and-Proces-sing Integrated Works, JSC «EvroKhim», Kovdor, Russia,

Nagovitsyn G.O., graduate student, Mining Institute KSC RAS, Mining Institute of the Kola Science Centre Russian Academy of Sciences, Apatity, Russia.

The paper proposes development of theoretical and methodical basis to design the down-hole mining method at reproduction of ore reserves prepared and ready for extraction. Regular- cyclic development of an open-pit's working zone is provided at different rate of the open-pit deepening.

Key words: parameters of down-hole mining method, open-pit deepening, concentration of mining operations, step of pit wall shift

REFERENCES

1. Bilin A.L., Materialyi mezhdunarodnogo simpoziuma po otkryityim gornyim rabotam «Mirnyiy-91», Russia, Udachnyiy, 1991, volume 1, pp. 159-180.

2. Bilin A.L. Sposob otrabotki glubokih karerov. Patent Rossii 1799419 A3 (Method of development of deep open-pits. Patent of the Russian Federation 1799419 A3), prioritet ot 9.10.89, kod MSI E21 S41/26, polozhitelno reshenie 28.02.93. Russia, Bulletin, 1993, no. 8.

3. Arsentiev A.I. Opredelenie proizvoditelnosti i graniz kariera (The definition of productivity and open-pit wall). Russia, Moscow, 1961, 243 p.