Повышение границ открытого способа и глубины карьеров при применении эффективных способов вскрытия и систем транспорта горной массы с глубоких горизонтов

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ

© Г.М. Еремин, 2001

УДК 622.271:622.678.53:622.68.001.14

Г.М. Еремин

ПОВЫШЕНИЕ ГРАНИЦ ОТКРЫТОГО СПОСОБА И ГЛУБИНЫ КАРЬЕРОВ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ ЭФФЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ ВСКРЫТИЯ И СИСТЕМ ТРАНСПОРТА ГОРНОЙ МАССЫ С ГЛУБОКИХ ГОРИЗОНТОВ

П

роблеме вскрытия и разработки глубоких горизонтов карьеров посвящено достаточно много как на-учно-исследовательс-ких, так и проектных работ. К началу 90-х годов многие исследователи пришли к мнению, что наиболее эффективными технологическими схемами, обеспечивающими

вскрытие и транспорт руды и вскрыши с глубоких горизонтов карьеров, являются применение доставочных средств в наклонных стволах, крутонаклонных конвейеров в траншеях, вертикальных скиповых подъемников. Менее всего говорили о крутонаклонных и вертикальных конвейерах, установленных на откосах бортов карьеров, хотя проработки целесообразности их применения уже были сделаны. При этом справедливо считалось, что реализация таких схем и способов доставки руды и вскрыши на поверхность связана, главным образом, с устойчивостью самих откосов уступов, участков их бортов в целом.

В 1980-81 г. группой исследователей и проектных работников была опубликована работа, в которой наиболее эффективным и производительным способом доставки руды и породы на поверхность считалось применение

большегрузных (80 т) скиповых подъемников [1]. По выполненным ими технико-экономическим расчетам применительно к условиям карьера № 3 ЦГОКа оказалось, что данному варианту свойственны наиболее низкие приведенные затраты на добычу руды в карьере и транспорт горной массы на поверхность, особенно при глубине карьера более 250-300 м. Минимальная себестоимость добычи 1 т руды при разработке верхних горизонтов достигается при применении автомобильно-железнодорож-ного транспорта. Однако при вводе его на средние, а тем более глубокие горизонты из-за роста дополнительного объема вскрыши в откосах бортов при вписывании трасс на участках съезда происходит резкое удорожание добычных работ. Себестоимость добычи 1 т руды на глубине карьера 300 и 500 м оказывается соответственно на 13 и 35 % больше, чем при применении скиповых подъемников с ленточными конвейерами в штольне. По приведенным в работе данным (график - рис. 1) ТЭП этого варианта более предпочтительны, чем для варианта с наклонными скиповыми подъемниками на борту карьера.

Однако этому способу выдачи руды и вскрыши на поверхность свойственны и некоторые недос-

татки, которые сдерживают его применение на карьерах. Главными из них считаются значительный объем горно-

капитальных работ, связанных с проведением вертикального ствола, конвейерных квершлагов и рудоспусков, а также наличие перегрузок руды под рудоспусками у ствола и на поверхности. Если для случая с перегрузкой руды на поверхности на другой вид транспорта (например, железнодорожный) этот процесс менее сложен, то с доставкой породы на поверхность ее перегрузка в автотранспорт более сложна, как правило, из-за больших объемов вскрыши, необходимости проведения дополнительного количества стволов и др.

Поэтому в последние 5-10 лет как у нас в стране, так и за рубежом выполнены ряд научных и конструкторских проработок по расширению области применения доставочных

средств для подъема грузов, в том числе автомобилей, думпкаров на поверхность [2, 3]. Это исключает перегрузку руды и вскрыши в карьере и на поверхности при транспортировке, например, породы в отвалы, а руды на фабрику или спецсклады. Кроме того, за рубежом проведены испытания по применению крутонаклонных и вертикальных конвейеров для доставки горной массы на поверхность или к местам ее перегрузки на другой вид транспорта.

Таким образом, применение новых способов доставки грузов на поверхность, а также спуска на глубокие горизонты материалов и оборудования в случае использования наклонных подъемников в предстоящий период будет зависеть от учета и проработки ряда горно-геологичес-ких, горнотехнических, климатических и чисто технических (конструкторских) факторов.

Вполне понятно, что первые попытки целесообразности их применения на глубоких карьерах проведены для случаев с тяжелыми горнотехническими условиями отработки месторождений (увеличивающаяся глубина карьеров, значительные величины коэффициентов вскрыши, рудные тела по форме, близкие к кимберлитам и др.).

Для условий месторождения кимберлитов в Якутии (карьер «Юбилейный») выполнена оценка возможности применения наклонных автомобильных подъемников на борту карьера [2]. В рассмотренных вариантах расчеты велись с учетом подъема автосамосвалов грузоподъемностью 120-130 т. Угол наклона трассы подъемника - 35-60°. Определялась эффективность применения при разработке глубокого карьера (до 550 м) автомобильного транспорта, наклонных подъемников и дизель-троллейвозного транспорта.

В результате подсчетов установлено, что наибольшими капитальными затратами обладают варианты с наклонными подъемниками. За счет дополнительной выемки вскрыши в бортах карьера при строительстве подъемников и съезда для дизель-троллей-возов наименьший объем вывозки горной массы из карьера имеет вариант с автомобильным транспортом. Превышение объемов вывозки вскрыши при применении автомобильных подъемников составило 8,5, а при дизель-троллейвозном транспорте - 15,4 млн т. Это в значительной степени ухудшило показатели сравниваемых вариантов, плюс дополнительно принятые ограничения, в частности условия загазованности карьера. Во всех вариантах капитальные затраты на приобретение оборудования для проветривания приняты одинаковыми, что может не соответствовать реальным условиям.

Тем не менее при сравнении удельных общих затрат на выемку и перемещение 1 т горной массы из карьера наиболее предпочтительным оказывается вариант с применением автомобильных подъемников.

При строгом сравнении вариантов, очевидно, должно быть приведено и геомеханическое обоснование сооружения и безопасной эксплуатации в течение 20-25 лет наклонных подъемников с учетом влияния арктических условий и сравнительно менее устойчивых вмещающих пород месторождения, чем чисто скальные магматические прочные массивы пород. Кроме того должно быть учтено и снижение эксплуатационных затрат по предприятию во времени с момента ввода в эксплуатацию новых более производительных систем выдачи горной массы на поверхность.

По данным проектных проработок для условий карьера Восточного рудника ОАО «Апатит», выполненных институтом Гипро-руда, более очевидными преимуществами по сравнению с другими вариантами, в которых рассматривалось применение железнодорожного транспорта в комплексе с автомобильным, циклично-

поточной технологии (ЦПТ), имеют варианты с применением наклонных подъемников.

В отличие от карьера «Юбилейный» данный карьер имеет более вытянутую форму, поэтому по условиям вписывания трасс подъемников в контуры карьера без дополнительного производства вскрышных работ он имеет некоторые преимущества. Однако, для детального рассмотрения в проекте альтернативных вариантов необходимо до стадии проектирования решить ряд геоме-ханических и технических вопросов по сооружению подъемников на борту карьера. К ним относятся прежде всего обоснование угла заложения трассы

подъемника с учетом устойчивости массивов пород на участках их сооружения. От глубины их ввода в карьер и наклона зависит производительность подъемников (рис. 1).

На рис. 1 показано изменение производительности подъемников в зависимости от глубины их ввода и грузоподъемности вы-дачных сосудов или грузоподъемности автосамосвалов. Кроме того производительность выдач-ных систем, очевидно, зависит от скорости подъема сосудов (автосамосва-лов). Из графика следует, что в области небольших глубин (до 250 м) наибольшей производительностью отличаются вертикальные скиповые подъемники (гру-зоподъемность скипа - 80 т), затем система наклонных подъемников фирмы СИМАГ (грузоподъемность автосамосвалов - 170 т) и угол нак-

лона трассы - 53°). Близко к этим данным располагаются данные, приведенные проф. А.А. Кулешовым для подъемников с углом наклона - 40° (кривая 1). Несколько ниже располагается кривая, построенная по данным проф. Ю.В. Демидова (кривая 3) и еще ниже, приводимые в работе [3] (точка А). Менее всего производительность наклонных подъемников изменяется с глубиной по данным проектных проработок Гипроруда (кривые 4 и 5, соответственно, для породы и руды).

Углы наклона подъемников в рассмотренных вариантах изменяются от 36-37 (с учетом насыпной части) до 40-42° (в скальных массивах). Следует отметить, что отсыпка основания из скальной породы высотой 100-115 м -сложное сооружение, поскольку оно должно исключить осадку пород не более 5-10 мм, иначе на стыках бетонных плит возможно их смещение при большом удельном давлении на рельсы (до 300 т по абсолютной величине нагрузки) и даже небольшая деформация может привести к серьезным нарушениям работоспособности конструкции.

По другим рассмотренным конструкциям углы наклона

подъемников изменяются от 16-33 до 36-45° в работе [3], до 53° (фирма СИМАГ). При различной их производительности капитальные затраты на их сооружение в обоих вариантах примерно одинаковые (11-12 млн долл.), хотя риск принятия второго варианта многократно возрастает, а недоучет возможности массива по устойчивости может привести также к значительному ущербу.

Кроме того в проекте необходимо более детально решить вопрос с выбором местоположения наклонных подъемников и их параметров, поскольку это связано с производительностью карьера. В ранее рассмотренных проектных решениях, особенно в первых проектных проработках, производительность Коашвинского карьера составила около 9 млн т/год. В проекте 1993 г. за счет применения ЦПТ по руде и вскрыше и консервации части рудных площадей (в северо-западной и юговосточной зонах карьера) производительность карьера была снижена до 8,0 млн т/год. В последних предпроектных решениях Ги-проруды, связанных с анализом различных вариантов транспортирования руды и вскрыши из карь-

Рис. 1. Изменение производительности подъемников в зависимости от глубины их ввода в карьер: 1,2, 3 - соответственно, по данным проф. А.А.Кулешова, фирмы СИМАГ, проф. Ю.В. Демидова; 4, 5 - по проектным проработкам для руды и вскрыши (грузоподъемность самосвала 120 т); 6 - для вертикальных скиповых подъемников (грузоподъемность скипа -80 т), т. А - по данным работы [3]

ера, производительность карьера по руде составила уже 7 млн т/год. Это связано с дополнительным выведением части рудных площадей из эксплуатации. При сравнении с первоначальными вариантами, общее количество руды, исключенное из контура карьера составит 40-50 млн т.

По данным исследований глубина карьера может составить 700-800 м (отм. дна - 400 ^500 м вместо - 290 м по проекту). Следует также учесть, что с глубиной содержание Р2О5 в руде увеличивается, а сложность залегания рудных тел повышается, поэтому ранний переход на подземный способ разработки месторождения будет связан с большими потерями ценных руд. С другой стороны, выбор местоположения систем транспорта и выдачи руды на поверхность без учета перспектив развития карьера на долговременной основе приведет к тому, что большинство сооружений могут попасть в контур карьера и они подлежат переносу (рис. 2). Поэтому в проекте должны быть проанализированы все перспективные варианты и выбран наиболее эффективный (в том числе с применением вертикальных скиповых подъемников по руде и наклонных стволов с рудоспусками по вскрыше).

На рис. 2 приведены контуры карьера с учетом этапов разработки месторождения в условиях, когда вводимые в карьер подъемники (1) приводят к консервации рудных площадей и могут попадать в контуры его перспективных

границ. Для сравнения приведен вариант с вертикальными скиповыми подъемниками (2), позволяющий достичь большей глубины карьера при дифференцированных откосах его бортов (соответственно снижающейся трещиновато-

Рис. 2. Схема вскрытия и транспорта горной массы из карьера при применении наклонных или вертикальных подъемников: а -

план карьера; б - разрез по месторождению;

I, II, III - этапы разработки месторождения; 1, 2 - соответственно, наклонные и вертикальный подъемники; 2' - участок ствола при доуглубке; 3 - наклонный ствол; 4, 5 - соответственно, конвейерный квершлаг и рудоспуски; Н1, Н2, Н3 - соответственно, глубина карьера при вскрытии и доработке рудных горизонтов; 81, 82 - содержание Р2О5 в глубоких зонах месторождения.

Рис. 3. Изменение себестоимости добычи 1 т руды (Ср) при различных коэффициентах вскрыши (К™): 1 - по материалам Гипроруды (Коашвинский карьер Восточного рудника ОАО «Апатит»); А, Б, В - соответственно, при применении автотранспорта, дизель-троллейвозов и наклонных автомобильных подъемников для карьера «Юбилейный»; С - для условий рудника Центральный ОАО «Апатит» сти массива с глубиной), а также

постепенного перехода на подземный способ разработки месторождения. Недоучет возможностей массива скальных пород в конечном счете приводит к увеличению мощности карьера по вскрыше и, соответственно, к росту себестоимости 1 т руды (рис. 3).

В связи с этим требует внимания, анализа и использования на практике способ, примененный при разработке месторождения кимберлитов в ЮАР. Там не только добились минимальных капитальных затрат и эксплуатационных расходов при доработке запасов в придонной зоне карьера, но и своевременно осуществили переход на подземный способ разработки месторождения без снижения производительности предприятия.

Суть метода заключается в том, что при достижении определенной глубины карьера, когда

начинается резкий рост эксплуатационных и капитальных затрат на поддержание мощности карьера, дальнейшая разработка рудного тела при достигнутом фронте развития горных работ по руде осуществляется без выемки вскрыши. Образующаяся экономия средств в течение 10-15летнего периода работы карьера позволяет выполнить большую часть подготовительных работ по вскрытию нижележащих рудных горизонтов без заимствования и

привлечения средств извне, как обычно по программе: отдельно строительство и эксплуатация карьера, а затем рудника. При этом большая часть капитальных вложений может быть погашена уже в ходе эксплуатации карьера.

В заключение следует отметить, что в настоящее время на уровне Академии наук необходимо поднять вопросы, связанные с необходимостью проведения глубоких исследований для типизации и выявления возможностей

различных массивов пород по геомеханической устойчивости, что позволит своевременно создать отечественной промышленностью производительные системы подъема руды и вскрыши на поверхность в виде крутонаклонных и вертикальных конвейеров (проф. Е.Е. Шешко и др.), а также контейнерных видов транспорта, что может в 2-3 раза и больше снизить мощности подъемных установок на карьерах.

1. Большегрузные скиповые подъемники для отработки глубоких карьеров / П.Б. Кульбида, В.В. Ройзен, В.И. Сербии и др. // Горный журнал. - 1981. - № 7. - С. 48-50.

2. Эффективность транспортных систем на карьере «Юбилейный» АК АЛРОСА» / А.А. Зотов, Ю.В. Зырянов, М.А. Файблит // Горный журнал. - 2000. - № 3. - С. 37-40.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Использование наклонных подъемников для транспортирования крупнокусковой горной массы на глубоких карьерах Заполярья / Ю.В. Демидов, Н.К. Трубецкой, С.С. Наумов, О.С. Головатая // Горный журнал. - 1998. - № 7. -С. 42-45.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

'S. Еремин Георгий Михайлович — кандидат технических наук, Горный институт Кольского научного центра РАН.

и