Анализ теории и опыта разработки рудных месторождений восходящим способом

Анализ  теории и опыта разработки рудных месторождений 

восходящим  способом

Для выбора направлений совершенствования  и проектирования более эффективной  технологии разработки сложных рудных месторождений представляют интерес  исследования обоснования восходящей отработки месторождений и опыт рудников, разрабатывающих сложные  рудные месторождения восходящим способом.

В рамках концепции развития горнодобывающей  отрасли на бюро отделения ОГГГГИ РАН от 8 ноября 1998 г. была отмечена необходимость развивать исследования по расширению области применения восходящей этажной отработки крутопадающих рудных месторождений со вскрытием их на глубину разведанных запасов с учетом возможности предварительного обогащения в подземных условиях или размещения обогатительной фабрики на концентрационном горизонте и заполнения выработанного пространства отходами обогащения.

Исследованиями лаборатории подземной  геотехнологии  ИГД УрО РАН (Волков Ю.В., Смирнов А.А., Соколов И.В., Завьялов Б.М., Камаев В.Д.) установлено, что одним из направлений применения высокоэффективных технологий в условиях действия тектонических сил является отработка месторождений снизу позволяющая устранить или свести к минимуму концентрацию напряжений в районе ведения работ. Разработаны варианты систем камер выемки ромбовидной формы и с податливыми целиками, позволяющие ликвидировать в приконтурном массиве запасы потенциальной энергии упругой деформации. Доказано, что восходящая отработка месторождений повышает устойчивость кровли очистных камер, исключает разубоживание закладочным материалом, позволяет размещать в выработанном пространстве всю отбиваемую породную массу, поступающую из проходческих породных забоев, а также хвостов обогащения или предобогащения. Закладочный массив оказывается в более благоприятных условиях с точки зрения его устойчивости, нормативную прочность закладки можно снизить в 2-3 раза, и, следовательно, уменьшить расход цемента. Появляется возможность значительно снизить причиняемый ущерб экологии.

В результате исследований (Волков Ю.В., Смирнов А.А., Соколов И.В. Камаев В.Д. Подземная геотехнология разработки с восходящей выемкой. Изв. Выс. Учеб. Зав. Горный журнал, № 3, 2003 г.) установлена необходимость комплексного подхода к определению параметров восходящей выемки, включающего взаимосвязанные решения вопросов добычи, переработки и размещения отходов производства в выработанном пространстве. Выбор величины шага отработки, одного из главных параметров технологии, должен производиться с учетом горно-геологических, технологических, технических, экономических, организационных факторов, проявляющихся как непосредственно в процессе ведения горных работ, опосредованно в виде сложных взаимосвязей технологических процессов. Установлено, что при угле падения 40  град. и мощности более 50 м оптимальная величина шага отработки составляет 150-250 м, при угле падения более 40 град.  она возрастает  до 300-400 м. В тоже время глубина залегания месторождения практически не сказывается на величине шага отработки. На основе решения динамической  задачи установлено, что независимо от глубины разработки месторождение целесообразно вскрывать сразу на полную глубину (igd.uran.ru/pgt.html, Лаборатория подземной геотехнологии  ИГД УрО РАН).

В свете современных требований наиболее эффективным направлением в области экологизации горного производства является создание безотходных технологических процессов добычи и переработки полезных ископаемых с глубокой утилизацией всего извлекаемого из недр минерального сырья (Каплунов Д.В., Левин В.И., Болотов Б.В. и др. Развитие подземной добычи при комплексном освоении месторождений – М.: Наука, 1992.-256 с.). Конкретные пути решения задач по созданию элементов безотходной технологии освоения месторождений на основе подземного способа разработки получили достаточно широкое освещение в горнотехнической литературе последних лет.

В этой связи заслуживают внимания предложения о перенесении процессов  переработки руд (грохочения, дробления, измельчения и обогащения) в подземные выработки с выдачей на поверхность лишь концентратов при захоронении отходов производства в выработанном пространстве. При этом наиболее целесообразным является восходящий порядок разработки месторождения в сочетании с закладкой отработанных участков пустыми породами, некондиционными рудами и хвостами обогащения.

Технология освоения месторождений, предусматривающая выдачу из подземных  горных выработок всей массы на поверхность, была оправдана на ранней стадии развития горного производства, когда довольно богатые руды добывались в небольшом  количестве и на сравнительно малой  глубине. В настоящее время подъем с больших глубин миллионов тонн бедных руд, их переработка и размещение на поверхности огромного количества производственных отходов обусловливают  стремительный рост удельных затрат на единицу конечной продукции. В  связи с расширением масштабов  применения систем разработки с закладкой  неуклонно возрастают встречные  грузопотоки закладочных материалов, что приводит к дополнительному  повышению затрат. В этих условиях переработка полезных ископаемых без  выдачи их на поверхность имеет ряд  преимуществ: в связи с упрощением схемы вскрытия уменьшаются капитальные  затраты; резко сокращаются транспортные расходы; обеспечивается сохранность  земной поверхности; появляется возможность  использовать гидроподъем продуктов  обогащения и гидротранспорт закладочных  материалов; до минимума снижаются  затраты на отвальное и хвостовое  хозяйство.

Доказано, что использование отходов  в качестве закладки позволит резко  сократить площадь отчуждаемых  земель и снизить до минимума потери руды в недрах благодаря полному  извлечению целиков.

Большую перспективу имеет утилизация пустых пород в технологиях комплексного освоения при восходящем порядке  отработки этажей. Одним из главных  преимуществ восходящего порядка  отработки этажей является возможность  размещения пустых пород от проходки горных выработок и горной массы, отсортированной с помощью забойной и подземной сортировки в очистном пространстве нижележащего этажа без  дополнительных перегрузок. Пустые породы служат для закладки пустот или вспомогательных  целей ( например, балластировка путей), а некондиционную (забалансовую) горную массу можно складировать в отдельные камеры, чтобы использовать в будущем для выщелачивания на месте складирования. Транспортирование пустых пород, забалансовых руд может быть обеспечено погрузочно-транспортными машинами типа ПД, самосвалами, автопоездами.

Схемы подэтажного вскрытия месторождений  применяют при значительных запасах  руды в этаже, когда продолжительность  эксплуатации этажа составляет 5-10 лет  и более (Слепцов М.Н., Азимов Р.Ш., Мосинец В.Н. Подземная разработка месторождений цветных и редких металлов. – М.: Недра,1986.-206 с.) Схемы группового вскрытия этажей используют при наличии не менее 10-летней обеспеченности работы рудника. Все более широкое применение на отечественных рудниках самоходных погрузочно-доставочных машин на пневмоходу позволяет в отдельных случаях отказаться от рельсового транспортирования руды на промежуточных горизонтах и нарезки на них разветвленных рудных дворов.

Однако эта схема вскрытия месторождений  имеет существенные недостатки: довольно продолжительные сроки вскрытия и подготовки к очистной выемке первого  в группе верхнего этажа, повышенные требования к закладочному массиву  при применении систем с закладкой, сложность использования пород, полученных в процессе проведения выработок для закладки. При отработке этажей сверху вниз сравнительно быстро происходит сдвижение поверхности, поэтому требуются большие затраты на ее поддерживание; кроме того, почти исключается возможность увеличения высоты блока более высоты этажа, а также возникают значительное горное давление и вызванное им суммарное напряжение в краевой части отрабатываемых залежей, так как в этом случае возрастающее с глубиной давление суммируется опорным давлением, создаваемым вследствие проведения очистных работ.

При отработке этажей снизу вверх  опорное давление в краевой части  месторождения также увеличивается, но давление налегающей толщи пород  снижается. Поэтому при отработке  этажей снизу вверх создается  более благоприятная горно-техническая обстановка, что позволяет увеличить параметры блоков, снизить затраты на поддержание выработок и требования к прочности закладочного массива. Значительно проще осуществлять утилизацию пород с верхних горизонтов при складировании их в нижележащие камеры.

Недостаточно широкое распространение  схемы отработки месторождений  снизу вверх связано с необходимостью заблаговременной полной разведки месторождений, высокими первоначальными капитальными затратами и длительным сроком ввода  месторождения в эксплуатацию, так  как скорости проходки стволов и  других вскрывающих выработок были весьма ограничены. С изменением технических  возможностей ситуация меняется. Например, даже при отработке сверху вниз на многих зарубежных рудниках в последнее  время используют бесступенчатое вскрытие месторождений на всю или значительную глубину, обеспечивающее быстрое освоение проектной мощности. На отдельных  рудниках отрабатывают часть запасов  снизу вверх.

Один из предлагаемых вариантов  вскрытия и отработки этажей снизу  вверх показан на рис 1.

Сущность этого способа вскрытия и отработки этажей заключается  в следующем.

Главный ствол проходят ступенями  по 300-500 м и более с применением мощных проходческих комплексов. В нисходящем порядке через 3-5 этажей образуют концентрационные горизонты, оборудуемые мощными транспортными средствами и дробилками. Из них в направлении снизу вверх готовят к очистной выемке этажи, проходя наклонные въезды и восстающие. Сбойку промежуточных горизонтов с главными стволами осуществляют без сложных разветвленных рудных дворов, а с вентиляционными стволами - через 1-2 горизонта (по мере надобности). При отработке рудных тел сложной конфигурации и пологих залежей образуют локальные вспомогательные горизонты.

Этажи в группе отрабатывают последовательно  снизу вверх. Поэтому первым готовят  и отрабатывают нижний этаж, непосредственно  примыкающий к концентрационному  горизонту. Одновременно с проведением  очистных работ в первом этаже  из промежуточного горизонта в аналогичном  порядке осуществляют подготовку второго  этажа и т.д. Породу и забалансовые руды из проходческих забоев разгружают непосредственно во вторичные камеры нижележащего этажа, исключая их выдачу на поверхность. Руду с верхних этажей перепускают на концентрационный горизонт по капитальным рудоспускам.

Нижние этажи отрабатывают под  естественной кровлей, а последний  этаж – под твердеющей закладкой  нижнего этажа вышележащего концентрационного  горизонта. Закладка к этому времени  набирает высокую прочность.

Одновременно нарезают концентрационный горизонт нижней группы этажей, и весь цикл повторяется. При необходимости  работы могут выполняться одновременно на двух концентрационных горизонтах с их полной загрузкой.

Основными достоинствами этого  способа вскрытия и отработки  этажей помимо отмеченного выше являются: высокие концентрация и интенсивность  проведения работ в этаже, на концентрационном горизонте и месторождении в  целом; широкий фронт проходческих и очистных работ; благоприятные  условия для эффективного применения мощного современного оборудования, вибрационной и самоходной техники; отработка основных запасов под  естественной кровлей; минимальные затраты на образование и погашение днищ блоков, так как они могут формироваться в процессе отработки и закладки нижних камер; минимальные первоначальные сроки и затраты на ввод месторождения и первых этажей в эксплуатацию; возможность отрабатывать этажи, включающие наиболее богатые руды, в первую очередь; полнота извлечения запасов.

Недостаток способа – невозможность  использования систем с обрушением, поэтому его целесообразно применять  в тех случаях, когда месторождения  отрабатывают системами с закладкой.

Исследованиями схемы развития горного давления при отработке  крутых и наклонных залежей установлено, что рост горного давления на нижних горизонтах обусловлен двумя факторами: увеличением налегающей толщи пород (глубины отработки) и накоплением выработанных пространств, причем последнее на достигнутых глубинах играет решающую роль (рис. 2).

При наиболее распространенном в настоящее  время в практике горного дела поэтажном вскрытии и отработке  месторождения сверху вниз влияние  обоих факторов, определяющих величину горного давления, увеличивается, что  является наиболее неблагоприятным  условием. При отработке месторождения  снизу вверх влияние одного фактора  увеличивается, а другого – уменьшается, что дает возможность работать в  более благоприятных условиях, как  бы «уходить» от опорного давления. Применение систем разработки с твердеющей закладкой выработанного пространства дает возможность отрабатывать месторождения  снизу вверх (порядок, при котором  управление горным давлением наиболее эффективно). Так как вскрытие месторождения  на всю глубину связано с высокими первоначальными капитальными затратами  и длительным сроком ввода месторождения  в эксплуатацию, целесообразно применять  способ вскрытия месторождения отдельными ярусами (группами) из трех-пяти этажей с организацией концентрационного  горизонта и отработкой этажей в  ярусе снизу вверх от этого  горизонта.

Этажи отрабатывают под естественной кровлей, а последний – под закладочным массивом нижнего этажа вышележащей группы. К этому времени закладка, как правило, набирает довольно высокую прочностью. При необходимости в одновременной работе могут участвовать два каскада.

Для снижения опасности возникновения  горных ударов при работе в двух каскадах рекомендуют начинать отработку  месторождения в верхнем ярусе  этажей от середины вверх, в нижнем – вниз и осуществлять сплошную выемку по горизонтали и вертикали.

При отработке яруса снизу вверх  слоевыми системами разработки необходимо применять восходящий вариант выемки. Число этажей в каскаде принимают  таким, чтобы за время отработки  нижнего каскада закладочный  массив вышележащего этажа начал  воспринимать опорное давление со стороны  окружающего массива, что дает возможность  избежать концентрации напряжений при  отработке последнего этажа между  двумя каскадами.