Способ отработки глубоких горизонтов алмазодобывающих карьеров в условиях криолитозоны
METHOD FOR DEVELOPMENT OF DEEP HORIZONS OF DIAMOND-MINING PITS IN CRYOLITHOZONE CONDITIONS

Способ отработки глубоких горизонтов алмазодобывающих карьеров в условиях криолитозоны
Изобретение относится к горнодобываюшей промышленности и создано применительно к условиям разработки глубоких горизонтов алмазодобывающих карьеров, эксплуатируемых в экстремальных климатических условиях криолитозоны Севера.
Известен способ отработки глубоких горизонтов карьера путем введения внутрибортового перегрузочного пункта как связывающего звена и соединяющего различные виды транспорта в единую технологическую схему (см. А.П. Тарасов, В.Р. Баланчук. Понижение горных работ путем введения внутрибортового перегрузочного пункта для доработки глубоких карьеров АК «Алроса» / Проблемы и пути эффективной отработки алмазоносных месторождений: Межд. научн.-практ. конф.: сб. докл. – Новосибирск: Наука, 2011. – с.83÷86).
Недостатком данного способа является низкая эффективность ввиду незначительного срока эксплуатации перегрузочного пункта и существенных затрат на его сооружения.
Известен также способ перегрузки грузов в комбинированных транспортных системах «автосамосвалы – речные суда» с использованием на данных видах перегрузочных работ автосамосвалов со съемными кузовами (см. В.С. Никифоров. Мультимодальные перевозки и транспортная логистика. Учебное пособие. М.: ТрансЛит, 2007. – С.191÷199).
Недостатком известного технического решения является его специфичность, преимущественно реализуемого для условий перегрузки грузов из автосамосвалов в речные и морские суда с использованием большегрузного автомобильного транспорта.
По способу отработки глубоких горизонтов карьера в условиях ограниченного фронта работ создаются выемки под перегрузочные пункты в массиве борта карьера (см. Васильев М.В. Транспорт глубоких карьеров. – М.: Недра, 1983. – С.95÷106).
Однако значительные капитальные вложения, связанные с созданием выемок в массиве борта карьера для размещения перегрузочного оборудования, снижают эффективность его использования при ограниченной рабочей зоне карьера.
Кроме того, известен способ отработки горизонтов карьера и соответствующей компоновки перегрузочной площадки на его борту, комплектаций оборудования и размещением на площадке промежуточных буферных складов руды (см. Власов В.М, Андросов А.Д. Технологии открытой добычи алмаза в криолитозоне / отв. ред. О.И. Слепцов. – Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 2007. – С. 155÷160).
Недостатком известного способа является сложность конструкции промплощадки и организации работ горнотранспортному оборудованию в процессе перегрузки горной массы.
Эффективность отработки глубоких горизонтов карьера во многом определяется технологией отстройки его бортов и заоткосных работ в процессе постановки бортов в предельное положение. Из литературных источников известны специальные технологии ведения БВР на предельном контуре карьера. Они основаны на изучении распространения сейсмических волн в массив при динамическом воздействии взрывов и установлении параметров разрушающего воздействия технологических взрывов на приконтурный участок борта, после которого определение параметров буровзрывной отбойки, обеспечивающих устойчивость борта карьера (см. Жарков С.Н. Устойчивость бортов карьера и буровзрывные работы/Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. – Сб. матер. межд. научн. конф. «Проблемы развития горных и горнодобывающей промышленности»,  ИГД СО РАН им. Н.А. Чинакала, 1÷6 октября 2018, Новосибирск – Том 5, №1, –  С.49÷52).
Основной недостаток подобной технологии – разрушающее  воздействие взрывных работ на приконтурный участок борта карьера, следствием которого является снижение ее эффективности, благодаря формированию неустойчивых откосов высоких уступов при постановке бортов в предельное положение в условиях криолитозоны.
Наиболее близким к изобретению по технологической сущности является способ отработки глубоких карьеров в криолитозоне при вскрытии горизонтов встречными спиралевидными стволами, формированием крутых и устойчивых бортов комбайнами с фрезерными исполнительными органами, безвзрывной выемки горных пород (см. RU №2676352, кл. Е21С 41/00, опубл. 28.12.2018), при этом, для выравнивания подошвы уступа частично используют лазерную технологическую установку в комплексе с рыхлителем, снижение загазованности карьерного пространства осуществляют применением автосамосвалов на газовом топливе, комплексную переработку запасов минерального сырья выполняют на складе руды, расположенном на борту карьера, нарушенные участки земной коры восстанавливают путем засыпки поверхности отвала различными породами с использованием скользящих съездов, безвредное захоронение отходов горно-обогатительных производств осуществляют в специально оборудованном котловане.
Известное техническое решение характеризуется низкой эффективностью, обусловленной трудоемкостью выполнения большого объема работ по проходке подземных выработок и заградительных дамб для захоронения вредных отходов, высокой загазованностью карьерного пространства в условиях ограниченной рабочей зоны, сложностью организации работ по формированию отвалов с использованием скользящих съездов.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности отработки глубоких горизонтов алмазодобывающих карьеров в условиях криолитозоны путем изменения его основных параметров.
Для решения поставленной задачи по способу отработки глубоких горизонтов алмазодобывающих карьеров в условиях криолитозоны, включающего отстройку крутых бортов карьера, экологически безопасное захоронение вредных отходов и горнодобывающих производств, освоение запасов глубоких горизонтов с применением техники открытых разработок, комплексную переработку минерального сырья, безопасность и надежность ведения горных работ в условиях криолитозоны, с целью повышения эффективности отработки глубоких горизонтов алмазодобывающих карьеров в условиях криолитозоны путем изменения его основных параметров, схем вскрытия, отстройку крутых и устойчивых бортов в щадящем режиме ведут комбайном с частичным использованием лазерной технологической установки для формирования устойчивого откоса, вскрытие горизонтов карьера осуществляют наклонными подземными выработками, соединенными со стволом, разрушенную комбайном горную массу от его забоя до ствола транспортируют электромобилями, причем руду через рудный, вскрытие породы через породный стволы доставку людей на рабочие места производят по людскому стволу и людской ходок, на дневной поверхности вдоль борта карьера создают временный склад вскрышных пород, руду вывозят на алмазоизвлекательную фабрику, рядом с которой на ее хвостах строят мини-обогатительную фабрику, оборудованную цехом сортировки мелких ценных минералов, а отработанное карьерное производство засыпают вскрышными породами, восстанавливая первоначальный рельеф поверхности земли, на которую укладывают слой чернозема для биологической рекультивации.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
В предполагаемом способе новыми признаками в сравнении с ближайшим аналогом являются:
- формирование устойчивых и крутых бортов карьера в щадящем режиме с использованием лазерной технологической установки;
- вскрытие горизонтов карьера наклонными подземными выработками с людским ходком;
- транспортирование горной массы от забоя комбайна до грузового ствола электромобилями по наклонной выработке, пройденной из карьерного пространства;
- создание временного отвала вскрышных пород на дневной поверхности по периметру карьера для последующей засыпки ими его отработанного пространства;
- сооружение мини-обогатительной фабрики рядом с алмазоизвлекательной фабрикой с цехом сортировки мелких ценных минералов;
- снижение вредных выбросов горно-обогатительных производств на окружающую среду благодаря сокращению объемов незавершенной вскрыши и применению электромобилей как транспортных средств.
Все вышеперечисленные новые признаки исключают недостатки существующих способов отработки глубоких карьеров в криолитозоне и обеспечивают следующие усиленные новые положительные свойства:
- формирование устойчивых и крутых бортов карьера с использованием лазерной технологической установки существенно сокращает объемы производства вскрышных работ в контуре отработки карьера;
- вскрытие горизонтов карьера наклонными подземными выработками с людским ходком улучшает условия эксплуатации электромобилей и создает безвредные условия труда обслуживающему персоналу;
- транспортирование горной массы по маршруту: забой комбайна, наклонные подземные выработки, вертикальный ствол - сокращают расстояние транспортирования горных пород от горизонтов карьера;
- создание временного отвала вскрышных пород по периметру борта карьера на дневной поверхности сокращает расстояния транспортирования пород при засыпке ими карьерного пространства;
- сооружение мини-обогатительной фабрики рядом с алмазоизвлекательной фабрикой исключает образование спецотвалов на хвостах фабрики после процесса обогащения;
- снижение вредных выбросов горно-обогатительных производств на окружающую природную среду улучшает экологическую ситуацию в регионе ведения горных работ.
Заявленное техническое решение поясняется чертежами, где на фигуре 1 схематически показан поперечный разрез карьера в момент вскрытия глубоких горизонтов наклонными подземными выработками и шахтным стволом; фигуре 2 – забой комбайна с расположением лазерной технологической установки для формирования устойчивого откоса уступа; фигуре 3 – вид карьера в плане на момент сооружения наклонной подземной выработки; фигуре 4 – разрушенный карьером участок поверхности земли после восстановления с посадками овощных культур; фигуре 5 – расчетная схема к определению основных технико-экономических показателей заявленного решения.
Способ осуществляется следующим образом.
Карьер до глубины  отработан при вскрытии глубоких горизонтов с использованием традиционных спиральных съездов 1. Разрушение и погрузку горной массы на площадке уступа осуществляют комбайном 2 с ленточным перегружателем, ее транспортирование - электромобилями 3, которые доставляют горную массу на поверхность, т.е. руду на обогатительную фабрику, а пустые породы вывозят на внешние отвалы по спиральным съездам 1 (см. фиг. 1). После достижения горными работами глубины  проходят наклонные подземные выработки 4 с людским ходком 5. Таким образом, формируют новую транспортную схему: забой комбайна – электромобиль - наклонные подземные выработки – автомобильный подъемник 6 и отдельно людской ствол с лифтом 7 для перемещения людей.
На рабочей площадке 8 уступа, где работает комбайн, размещают лазерную технологическую установку 9, которая по мере отработки горизонта и постановки его борта в предельное положение, «шлифует» откос высокого уступа 10, доведя его до устойчивого состояния (см. фиг. 2).
В процессе отработки глубоких горизонтов карьера на его борту по периметру создают временный отвал вскрышных пород 11. Вскрышные породы, вывозимые из карьерного пространства через существующие спиральные съезды 1 (запасной выезд) и автомобильный подъемник 6, складируют на временном складе вскрышных пород 11 по периметру борта карьера (см. фиг. 3). Руду вывозят на алмазоизвлекательную фабрику 12, рядом с которой строят мини-обогатительную фабрику 13 с цехом сортировки мелких ценных минералов. Они соединены с галереей 14, внутри которой размещают ленточный конвейер.
После выполнения всех работ приступают к восстановлению разрушенного горными работами участка земли путем засыпки отработанного пространства карьера вынутыми вскрышными породами 11. Затем, поверх засыпанного участка 15 укладывают слой чернозема 16. На восстановленном участке в процессе проведения биологической рекультивации сажают овощные культуры 17 (картофель, морковь, свекла и т.д.) (см. фиг. 4).
Таким образом, разрушенный участок поверхности земли будет превращен в окультуренные сельхозугодия, при этом частично будет решена проблема завоза сельхозпродуктов на труднодоступные регионы, улучшая быт проживающего там населения.
Пример конкретной реализации заявленного технического решения.
Исходные данные для примера реализации нового способа приняты следующие:
- глубина карьера при традиционной и рекомендуемой технологиях отработки, =720 м;
- диаметр кимберлитовой трубки, d=200 м;
- угол откоса борта при традиционной технологии его отстройки, б=55°;
- высота уступа при традиционной технологии погашения борта карьера, =30;
- высота уступа при погашении борта рекомендуемым техническим решением, =90 м;
- глубина перехода на отработку глубоких горизонтов карьера рекомендуемым техническим решением, =90 м;
- себестоимость разработки 1  горных пород долл./, =3,41 долл./(см. RU №2233982, опубл. 10.08.2004);
- стоимость 10-киловатной лазерной установки, =300 тыс. долл. (см. RU №2387835, опубл. 27.04.2010).
Преимущества нового технического решения раскрыты в сопоставлении с традиционным, где для отработки глубоких горизонтов месторождений использованы стволы различного назначения, безврывная выемка кимберлитов и лазерная технологическая установка (см. RU №2676352, кл. Е21С 41/00, опубл. 28.12.2018).
Расчеты выполнены в следующей последовательности.
А. Традиционные технология.
1. Расчет объемов горных работ до глубины 720 м при отстройки бортов под углом 55°.
Объемы горных работ рассчитываются по формуле усеченного конуса и определяются из выражения, расчетная схема которой приведены на фигуре 5.
- объемы работ в контуре отработки А'В'Д'Е' -
=;
2
=р=3,14*=15700 м
=р; =200+2*720*ctg55°=200+1008=1208 м
2
=р=3,14=2291044,0 м
==830428013,0
2. Затраты на отработку карьера традиционным способом до глубины 720 м – ,
=*=830428013*3,41= 2831759524,0 долл=2831,8 млн.долл.
Б. Рекомендуемая технология.
По рекомендуемому решению ведения горных работ, борт карьера, начиная с глубины  отстраивают высокими уступами, равными 90 м. При этом, расчетное значение угла отшлифованного откоса высокого уступа, по мнению многих авторов, ориентировочно на 15° выше и составляют 85°. На основании этого объемы горной массы в контурах карьера и угол откоса нерабочего борта найдутся по формулам:
=+
На фигуре 5 приведена расчетная схема к определению основных параметров нового технического решения:
=;
=;
2
где ,  – соответственно, площади поперечного сечений по дневной поверхности АВ и по дну карьера при глубине , м;
2
- соответственно, площади поперечного сечений карьера на глубине и  м;
и  - соотвественно, глубины первого и второго этапов отработки карьера, =90 м; =630 м.
;
KL=+ДШ+Б;
где, ДШ – ширина минимального размера рабочей площадки, ДШ=30 м;
Б - размер бермы безопасности, Б=20 м.
КЛ=100+30+20=150 м,
откуда,
2
2
=3,14*150=70650,0 м;
=р;
АВ=+ ДШ+Б+*ctg55°=100+30+20+90*0,7=241 м;
2
=3,14*=99028,0 м
2
=р=3,14()=3,14*(=3,14*(=53066,0 м;
тогда,
=+= =418896800=41,9 млн.
Итого затраты на выполнение вскрышных работ при рекомендуемом решении  составляет:
=*=41.9*3,41=142,9 млн. долл.
Дополнительные затраты на проходку подземных горных выработок  будут равны:
=++ ,
где  затраты на проходку наклонных подземных выработок в интервале глубины 90ч630 м, долл.;
– затраты на проходку вертикального людского ствола, долл.;
– затраты на проходку вертикального грузового ствола, долл.
= ,
где  – средняя длина наклонной подземной выработки, пройденной со дна карьера под углом 4° к вертикальному стволу, м (см. фигуру 5);
– количество наклонных подземных выработок, пройденных в интервале глубин 90ч630 м;
2
– поперечное сечение наклонных подземных выработок, пройденных со дна карьера, м;
– себестоимость разработки 1  горных пород подземным способом в условиях криолитозоны, .
=;
СН=В`М+ВВ`+ctg55°=100+ctg 55°+ctg 55°=100+2ctg55°=100+180*0,7=226,0 м;
ДО====542 м
==384 м;
=;
где  – высота уступа погашения при рекомендуемом техническом решении отстройки глубоких горизонтов карьера, =90 м.
==7
2
2
В расчетах поперечные сечения людского и грузового с автомобильным подъемником стволов приняты равными, соответственно 16 м(4х4) и 48 м (12х4):
=384*7*16*10,2+384*7*48*10,2=175477,0 долл.;
=(720+40)*16*10,2=124032,0 долл.;
=(720+40)*48*10,2=372096,0 долл.
Откуда, суммарные дополнительные затраты на проходку подземных выработок :
=175477,0+124032,0+372096,0=671605,0 долл.
Ожидаемое снижение капитальных затрат за весь период существования карьера :
=-=2381,8 - 671,605=1710,2 млн. долл.
Тогда ожидаемый годовой экономический эффект  от реализации нового технического решения:
=,
где  – период работы карьера при освоении запасов отработки месторождения в интервале глубин 92ч720 м.
Средняя скорость углубки карьера, в расчетах принимается равной 40 м/год:
==16 лет
Кроме того будет улучшена экологическая ситуация в регионах ведения горных работ. Краткость улучшения экологической ситуации n всегда прямо пропорциональна объему перерабатываемой горной массы:
n===19,8
Cледовательно, в 19,8 раз будут снижены техногенные нагрузки на окружающую природную среду в результате внедрения новой технологии отработки карьеров.
В таблице приведены ожидаемые технико-экономические показатели нового технического решения, где генеральный угол откоса борта карьера  рассчитан по следующей формуле:
=0,1597; г=81°
Экономический эффект от реализации технического решения преимущественно будет обеспечен благодаря увеличению генерального угла наклона борта карьера от 55° до 81°, т.е. на 21°.
Таким образом, результаты проведенных расчетов экономической эффективности от реализации нового технического решения свидетельствуют о существенном улучшении не только основных технико-экономических показателей разработок, но и резко снижает вредные выбросы в окружающую природную среду.
Таблица
Ожидаемые технико-экономические показатели от реализации рекомендуемого технического решения
№
Наименование показателей
Техническое решение
Традиционное
Рекомендуемое
1
Глубина карьера, м
720
720
2
Объемы горных пород в контуре отработки карьера, млн.<img file="00000044.jpg" he="6" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000044.jpg" he="6" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" />
8304,3
41,2
3
Генеральный угол откоса борта карьера, град.
55,8
81
4
Объемы работ по проходке подземных выработок при отработке карьера в интервале глубин 90ч720 м: У<img file="00000079.jpg" he="6" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000079.jpg" he="6" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" />+У<img file="00000080.jpg" he="6" wi="8" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000080.jpg" he="6" wi="8" img-content="undefined" img-format="jpg" />=43008,0+129024,0=172032,0 <img file="00000005.jpg" he="6" wi="4" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000005.jpg" he="6" wi="4" img-content="undefined" img-format="jpg" />
-
172032,0
5
Себестоимость разработки 1 <img file="00000005.jpg" he="6" wi="4" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000005.jpg" he="6" wi="4" img-content="undefined" img-format="jpg" /> горных пород при открытой и подземной технологиях, долл./<img file="00000005.jpg" he="6" wi="4" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000005.jpg" he="6" wi="4" img-content="undefined" img-format="jpg" />
3,41
10,2
6
Суммарные дополнительные затраты на проходку подземных выработок, тыс. долл.
-
671,6
7
Ожидаемое снижение капитальных затрат <img file="00000066.jpg" he="6" wi="8" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000066.jpg" he="6" wi="8" img-content="undefined" img-format="jpg" /> за весь период существования карьера,
<img file="00000066.jpg" he="6" wi="8" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000066.jpg" he="6" wi="8" img-content="undefined" img-format="jpg" />=<img file="00000081.jpg" he="6" wi="7" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000081.jpg" he="6" wi="7" img-content="undefined" img-format="jpg" />-<img file="00000082.jpg" he="6" wi="10" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000082.jpg" he="6" wi="10" img-content="undefined" img-format="jpg" />
-
1710,2
8
Ожидаемый годовой экономический эффект <img file="00000069.jpg" he="6" wi="4" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000069.jpg" he="6" wi="4" img-content="undefined" img-format="jpg" /> от реализации нового технического решения, млн. долл.
<img file="00000069.jpg" he="6" wi="4" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000069.jpg" he="6" wi="4" img-content="undefined" img-format="jpg" /> =<img file="00000083.jpg" he="8" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000083.jpg" he="8" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" />=<img file="00000084.jpg" he="8" wi="10" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000084.jpg" he="8" wi="10" img-content="undefined" img-format="jpg" />=106,9
-
106,9
9
Кратность снижения техногенного пресса на окружающую природную среду - nn=<img file="00000074.jpg" he="8" wi="17" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000074.jpg" he="8" wi="17" img-content="undefined" img-format="jpg" />=<img file="00000085.jpg" he="8" wi="16" img-content="undefined" img-format="jpg" /><img file="00000085.jpg" he="8" wi="16" img-content="undefined" img-format="jpg" />=19,8
-
19,8
Примечание: Стоимостные показатели взяты из фактических показателей работы предприятий АК «АЛРОСА» (см. RU №2233982, опубл. 10.08.2004)