Особенности проектирования главных параметров карьеров при разработке сближенных кимберлитовых трубок

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГЛАВНЫХ ПАРАМЕТРОВ КАРЬЕРОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ СБЛИЖЕННЫХ КИМБЕРЛИТОВЫХ ТРУБОК

Рассмотрена эффективность ведения внутреннего отвалообразования, которое, по мнению авторов, позволяет уменьшить расстояние транспортирования вскрышных пород и расходы связанные с ведением внешнего отвалообразования, в результате чего уменьшается себестоимость вскрышных работ. По итогам проведенных исследований, разработка запасов алмазов открытым способом позволяет получать следующий положительный результат: объем рудной массы, вовлекаемый в разработку, в этом случае будет на 16 % больше, чем по проекту, при сохранении заданной проектом рентабельности производства. Ключевые слова: проектирование, параметры карьеров, эффективность, кимберлитовые трубки, коэффициент вскрыши.

Россия занимает одну из ведущих позиций в мире по добыче алмазов. В ресурсном отношении по разным оценкам на ее долю приходиться от 35 до 50 % мировых запасов алмазов, основная часть которых (около 65 %) приходиться на приполярные районы Западной Якутии. Около 20 % алмазных ресурсов России располагается в Архангельской области, 10 % в равнинных районах европейской части России и остальные 5 % приходятся на Уральский регион и Сибирь. Это обязывает для сохранения и упрочнения своих позиций постоянно совершенствовать научные знания в области разработки месторождений алмазов.

На территории России имеются месторождения алмазов, когда несколько рудных тел находятся относительно близко друг от друга, так называемые сближенные кимберлитовые трубки, то есть такое их расположение, когда на начальном этапе их разработка ведется самостоятельными карьерами (участками), имеющими независимые друг от друга схемы вскрытия рабочих горизонтов и изолированные карьерные пространства. Но затем, по мере понижения горных работ на определенном этапе проис-

Рис. 1. Схема конечных контуров карьеров при отработке сближенных кимбер-литовых трубок: 1, 2 — рудные тела (кимберлитовые трубки); 3 — участок совмещения карьерных пространств; 4 — контур первого карьера; 5 — контур второго карьера; 6 — точка сопряжения карьерных пространств

ходит объединение карьерных пространств вначале на верхних горизонтах, а затем и на более глубоких (рис. 1). При этом отдельные схемы вскрытия по каждому карьеру могут трансформироваться в единую систему вскрывающих трасс [1].

Управление режимом горных работ при отработке сближенных трубок возможно следующими способами.

Первый способ заключается в изменении времени ввода в эксплуатацию второго карьера относительно ввода первого карьера. Так, не меняя техники и технологии, изменяя только это время возможно сформировать ряд вариантов с различными режимами горных работ. Это подтверждают графики изменения текущего коэффициента вскрыши, представленные на рис. 2. Для примера взят идеализированный случай, когда параметры сближенных трубок одинаковые.

14

12

ю

3

6

4

Кт, м3/м5

1

2

\

\

\

\ \

''Ч

Этап

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Рис. 2. Графики изменения текущего коэффициента вскрыши при различном порядке отработке соседних карьеров: 1 — при последовательной отработке сближенных трубок; 2 — при одновременной отработке сближенных трубок

12

10

В

0

4

2

0

Кт. м’/м1

\/пи. млн. м1

\ ^2 / \

1 / V /

У 1 \

— / ^ * ч - ^ ч 4

— -  * V

35

28

21

14

7

0

1 2 3456789 10 11 12 Этап

Рис. 3. График режима горных работ при поочередном вводе в эксплуатацию отдельных карьеров: 1 — по предприятию в целом; 2 — для первоочередного карьера; 3 — для второго карьера; 4 — изменение объемов рудной массы по предприятию в целом

При последовательной отработке соседних карьеров на графике режима горных работ выделяются два пиковых значения текущего коэффициента вскрыши и зона резкого его снижения, обусловленная переходом от разработки одного карьера к другому. При одновременной отработке соседних карьеров на графике выделяется одно пиковое значение в момент наибольших объемов горных работ перед этапом начала погашения данных карьеров.

На рис. 3 представлен вариант режима горных работ, когда второй карьер вводят в эксплуатацию уже в процессе разработки первоочередного карьера. При этом уже возросшие к этому моменту времени объемы вскрышных работ первого карьера, определяющие высокие значения текущего коэффициента вскрыши, компенсируются значительно меньшими объемами вскрыши и соответственно более низким коэффициентом вскрыши в начальный период разработки второго карьера. В дальнейшем аналогичное усреднение происходит и для пиковых объемов вскрышных работ второго карьера, когда на первоочередном карьере горные работы уже вступили в заключительный период разработки, которому присущи низкие значения текущего коэффициента вскрыши. В результате общий график режима горных работ по предприятию в целом стабилизируется на достаточно большой период времени (с 4-го по 10-й этап в данном примере). Кроме того максимальное значение текущего коэффициента вскрыши по предприятию ниже аналогичных для отдельных карьеров практически в 1,5 раза. Последний фактор означает, что при граничном

Рис. 4. График режима горных работ при увеличенной глубине первоочередного карьера: 1 — по предприятию в целом; 2 — для первоочередного карьера; 3 — для второго карьера; 4 — изменение объемов рудной массы по предприятию в целом

коэффициенте вскрыши для данного варианта равном 12 м3/ м3 появляется реальная возможность изменения главных параметров карьеров и, в первую очередь, увеличения их конечной глубины, сохраняя при этом заданную проектом эффективность открытой добычи алмазов в целом по предприятию.

Это подтверждается графиками режима горных работ, представленными на рис. 4, из которых следует, что с увеличением глубины отработки первого карьера и, соответственно с ростом его текущего коэффициента вскрыши до величины, существенно превышающей граничное значение (практически в 2 раза), сохраняются условия рентабельной работы предприятия за счет одновременной отработки второго карьера в этот период с более низкими значениями коэффициента вскрыши. Тем самым в открытую разработку вовлекаются дополнительные запасы в границах отработки первого карьера, как правило, отрабатывающего наиболее «богатую» трубку.

Такой порядок отработки месторождения целесообразен, когда вовлечение запасов на глубоких горизонтах подземным способом не предусматривается по определенным причинам (например, в виду малых запасов, нерентабельностью их отработки, сложными гидрогеологическими условиями и т.д.).

Результатами исследования, проведенными авторами статьи, установлено, что в случае развития горных работ с более крутым углом откоса рабочего борта карьера в разработку вовлекается

50 150 250 350 450 550 Нк. М

Рис. 5. Графики изменения текущего коэффициента вскрыши первоочередного карьера в зависимости от угла откоса рабочего борта

значительно меньшие запасы полезного ископаемого (рис. 5). Однако при этом пиковые объемы вскрышных работ переносятся на более поздние периоды разработки месторождения, а эксплуатация карьера в начальный период достаточно продолжительное время ведется с низким коэффициентом вскрыши. При этом следует отметить, что высокая интенсивность его роста с глубиной связана в том числе с конусностью трубки. Эта отличительная особенность геологического строения алмазоносных трубок от других типов месторождений оказывает существенное влияние на режим горных работ и главные параметры карьера [4].

Отрицательным моментом при отработке карьера пологими бортами является то, что значительно возрастает объем горностроительных работ (до 5—7 раз), что в совокупности с относительно «бедными» запасами кратерной части трубки влечет увеличение срока окупаемости инвестиций. Устранить этот недостаток возможно, если после начала разработки карьера крутыми рабочими бортами вести их поэтапное выполаживание вплоть до начала погашения горных работ. Это позволяет с более низкими значениями текущего коэффициента вскрыши пройти «бедную» кратерную часть кимберлитовой трубки и в последующем достичь значительных размеров карьера по поверхности. При этом часть объемов вскрышных пород первых этапов переноситься на более поздние периоды эксплуатации, что показано стрелками на рис. 6.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Этап

Рис. 6. Изменения объемов вскрышных работ на этапах развития первоочередного карьера

£ЫР\Л млн. р.

Рис. 7. График изменения чистого дисконтированного дохода: 1, 3 — разработка карьера крутыми рабочими бортами с выполаживанием до 10° и 7° соответственно; 2, 4 — разработка карьера пологими рабочими бортами 10° и 7° соответственно

Таким образом в разработку могут быть вовлечены запасы полезного ископаемого, соизмеримые по объему с запасами при отработке карьера с пологими рабочими бортами. Причем срок окупаемости инвестиций при этом уменьшается (рис. 7). Как видно из графиков, используя данный технологический прием, срок окупаемости проекта можно сократить в 1,4 раза, если в начальный период эксплуатации предусматривать максимально крутые борта с учетом технологии отработки и применяемой механизации с последующим их выполаживанием.

Минимальный срок окупаемости (6 лет) в данном примере достигается при выполаживании рабочего борта на этапе начала погашения горных работ до величины аР = 10°. Тем самым можно констатировать, что для конкретных горно-геологических и горнотехнических условий разработки существуют рациональные значения угла наклона рабочего борта карьера (карьеров) для каждого этапа ведения горных работ.

Еще одной особенностью отработки таких сближенных трубок является то, что часть объемов вскрышных пород на участке совмещения карьерных пространств в проектных границах, в принципе, относятся как к одному, так и к другому карьеру, это позволяет управлять распределением данного объема между отдельными соседними карьерами, то есть влиять на режим горных работ и главные параметры этих карьеров.

Этот объем зависит от расстояния между трубками (Ь), размеров карьеров по поверхности, глубины и углов наклона бортов этих карьеров в конечном положении. Участок совмещения представляет сложную геометрическую фигуру, ограниченную несколькими криволинейными поверхностями (земной поверхностью и поверхностями бортов соседних карьеров). При этом точка сопряжения карьерных пространств соседних карьеров находится ниже дневной поверхности на глубине, определяемой по следующей формуле:

В1 + В11

т ^ а1 • tgaII м

Т) I II ,м,

tgа + tgа

где В , В — диаметр по поверхности первого и второго карьера соответственно, м; Т — расстояние между центрами сближенных кимберлитовых трубок, м; аI, ая — угол наклона борта карьера в конечном положении для первого и второго карьера соответственно, град.

Рис. 8. Графики изменения объема вскрышных пород, сосредоточенных на участке совмещения контуров карьеров (УУЧСОВ), в зависимости от глубины первого (Н1) и второго карьеров (Н2) при Ь=1200 м

1

Рис. 9. Схемы внутреннего отвалообразования при отработке сближенных кимберлитовых трубок: а — при ведении внутреннего отвалообразования в период погашения второго карьера; б — при ведении внутреннего отвалообразования в основной период эксплуатации второго карьера;./ — рудные тела; 2,3 — конечный контур соответственно первого и второго карьера; 4 — текущий контур второго карьера; 5 — формируемый внутренний отвал; 6 — вскрышные породы на этапах доработки второго карьера; А — точка сопряжения карьерных пространств

Так как величина Ь в конкретных условиях разработки является постоянной, то данный объем будет зависеть только от размеров соседних карьеров по поверхности и углов откосов бортов в конечном положении, то есть от конечные глубины каждого из карьеров (рис. 8).

Дальнейшее повышение эффективности разработки месторождений представленных сближенными кимберлитовыми трубками, возможно за счет организации внутреннего отвала в выработанном пространстве одного из карьеров (рис. 9).

Максимальная эффективность внутреннего отвалообразования достигается при поочередной отработке сближенных трубок. Однако, при такой технологии, как было отмечено выше, резко ухудшается режим горных работ и уменьшаются объемы запасов полезного ископаемого, вовлекаемые в открытую разработку. При рациональном режиме горных работ, когда второй карьера вводиться в эксплуатацию на определенном этапе разработки первоочередного карьера объем внутреннего отвала определяется с учетом положения горных и проектных границ каждого из карьеров [5].

Продолжительность эксплуатации второго карьера после перехода на внутреннее отвалообразование. лет

Рис. 10. Изменение относительного объема внутреннего отвала (по отношению к объему вскрыши в границах второго карьера) в зависимости от продолжительности эксплуатации второго карьера после перехода на внутренние отвообразование

Из рис. 10 следует, что если периоды погашения горных работ на соседних карьерах разнесены во времени (например, на 10 лет), то большая часть объема вскрышных пород (до 80 %) в границах второго карьера может быть размещена в выработанном пространстве первого карьера. В случае уменьшения этого периода на графике отмечается резкое падение этого ввиду снижения объема вскрышных пород на этапах погашения второго карьера. Ведение внутреннего отвалообразования позволяет уменьшить расстояние транспортирования вскрышных пород и расходы связанные с ведением внешнего отвалообразования, в результате чего уменьшается себестоимость вскрышных работ и, следовательно, увеличивается такой важный параметр кондиций, как граничный коэффициент вскрыши для второго карьера. Серьезная корректива может быть внесена в бортовое содержание алмазов. Все это позволяет в определенных условиях, а именно когда при этом не ухудшается режим горных работ по предприятию в целом, существенно увеличить проектную глубину второго карьера. Этот главный параметр карьера непосредственно будет зависеть от объема вскрышных пород, подлежащих складированию в выработанное пространство первоочередного карьера (рис. 11).

Объектом апробации вышеизложенных теоретических положений явилось коренное месторождение алмазов имени М.В. Ломоносова, в состав которого входят три сближенные кимбер-литовые трубки, имеющие промышленное содержание алмазов

О 20 40 60 *0 100

Рис. 11. График относительно приращения конечной глубины второго карьера в зависимости от объема внутреннего отвалообразования

(Архангельская, им. Карпинского-1, им. Карпинского-2). При этом в непосредственной близости рудные тела находятся попарно, карьеры трубок Архангельская и им. Карпинского-2 пересечения карьерных пространств не имеют, «связующим звеном» является карьер трубки им. Карпинского-1. По запасам алмазов наиболее богатой является пара трубок Архангельская и им. Карпинского-1, запасы трубки им. Карпинского-2 относительно невелики (20-30 % от запасов трубки Архангельская). Поэтому разработка сближенных кимберлитовых трубок Архангельская и им. Карпинского-1 является определяющей. Трубку им. Карпинского-2 ввиду ее относительно небольших запасов условно можно отнести к малорентабельной для открытой разработки. Однако по принятому на месторождении проекту разработка всех карьеров предусматривается до одной конечной глубины (450 — 460 м), не смотря на различные запасы рудной массы в отдельных трубках и имеющиеся отличия в содержаниях алмазов.

По результатам проведенных в МГГУ исследований с учетом текущего состояния горных на этих трубках для карьеров трубок Архангельская и им. Карпинского-1 рекомендуется вы-полаживать относительно крутые рабочие борта (порядка 25°) до угла 10° в процессе углубления горных работ до глубины 150 м и 105 м соответственно. Это позволит эффективно разрабатывать запасы алмазов открытым способом до глубины 605 м для карьера трубки Архангельская и 490 м для карьера

трубки им. Карпинского-1. Объем рудной массы, вовлекаемый в разработку, в этом случае будет на 16 % больше, чем по проекту, при сохранении заданной проектом рентабельности производства.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Коваленко В. С., Иванов Е.Д. Управление режимом горных работ при отработке сближенных кимберлитовых трубок. // Вестник АГТУ. — Архангельск: Издательство АГТУ. — 2008. — С. 78-83.

2. Ржевский В.В. Открытые горные работы. ч.2 Технология и комплексная механизация. / Учебник для вузов в 2т. — М.: Недра, 1985. — 550 с.

3. Трубецкой К.Н., Краснянский Г.Л., Хронин В.В., Коваленко В. С. Проектирование карьеров. / Учебник для вузов — М.: Высшая школа, 2009. — 694 с.

4. Иванов Е.Д., Коваленко В. С. Управление режимом горных работ и главными параметрами карьера при отработке сближенных кимберли-товых трубок месторождений алмазов. // Горный информационноаналитический бюллетень. — 2010, №5. — С. 224 — 230.

5. Иванов Е.Д., Коваленко В.С. Повышение эффективности отработки сближенных алмазоносных кимберлитовых трубок за счет использования внутреннего отвалообразования. // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2010, №6. — С. 218 — 223.