CC BY
65
© И.И. Бессонов, 2002
УДК 622.2 (470.21 )+553.3
И.И. Бессонов
ПРОБЛЕМЫ ОТРАБОТКИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КОЛЬСКОГО ПОЛУОСТРОВА
^необходимость решения проблемы ра-ЦЕошмьного освоения месторождений ■П1лезНЫх ископаемых и сбережения ресурсов при их добыие в современных условиях рышочной экономики указыь вают академики Н.Н. Мельников, К.Н. Трубецкой, член-корреспондент РАН Д.Р. Каплунов [1, 2, 3]. Развитие этих идей нашло свое отражение и в решении данной проблемы применительно к условиям Кольского полуостров [4, 5].
Проблема отработки рудных месторождений Кольского полуострова является многоаспектной, требующей системного подхода к ее разрешению. Она затрагивает вопросыг геологии, геотехнологии, геомеханики, экологии, техники безопасности и экономики. При этом очень важное значение имеют информационные ресурсы и ресурс времени, которые даются для научного обоснования альтернатив технического решения проблемы.
Геологический аспект. На большинстве рудников Кольского полуострова углубляются горные работы, снижается содержание полезных компонентов в руде, значительные изменения претерпевают элементы залегания рудных тел. Это существенно влияет на изменение развития фронта горных работ, параметры конструкций систем разработки и технологические процессы, следствием чего является повышение издержек производства.
Геомеханический аспект. На ряде месторождений увеличилось количество возникающих горных ударов, стреляние горных пород, возникает непрогнозируемое обрушение горных выработок, изменение их формы и сечения, что влечет за собой повышенный риск ведения горных работ в технологических зонах и необходимость изыскания более безопасных способов ведения горных работ.
Геотехнологический аспект. Еще существует низкий уровень механизации и автоматизации технологических процессов, особенно на маломощных месторождениях. Трудоемкость добычи
горной массы на маломощных месторождениях в 3-5 раз выше по сравнению с теми же показателями на мощных месторождениях. Растут потери полезного ископаемого в целиках на глубоких горизонтах, что диктует необходимость изыскания более рационального сочетания технических средств и технологии ведения горных работ, отвечающих происходящим изменениям в геологических и геомеханических условиях разработки месторождений. Вопросы научного обоснования проектирования геотехнологии должны идти, по нашему мнению, по пути более широкого использования таких показатели оценки решений, как: адаптивность конструктивных параметров систем и технологических процессов к изменяющимся условиям, надежность технологических процессов, устойчивость работы рудника. Эти показатели во многом характеризуют эффективность разработки месторождения и оказывают влияние на прибыль, получаемую от погашения балансовых запасов рудного тела. Поэтому они должны выражаться не качественно, а в количественном значении, как это делается во многих отраслях промышленности.
Экономический аспект. В настоящее время не в полной мере учитывается комплексный характер руд Кольского полуострова, что существенно влияет на цены продукции рудника. Поэтому для многих месторождений назрела необходимость пересчета кондиций на руды месторождений, которые отвечали бы новым условиям рынка и конкурентоспособности.
Информационный аспект. Современные условия инвестирования предъявляет повышенные требования к информационному обеспечению предлагаемых проектных решений, их надежности, оценки экономического риска, экологической безопасности. Поэтому научное обоснование альтернатив технических решений должно учитывать затраты не только на изменение стандартных категорий ресурсов, но и на наукоемкие информационные ресурсы,
получение которых требует существенных затрат средств и времени. Как же решается эта многоаспектная проблема лабораторией "Теории комплексного освоения и сохранения недр"?
Следует отметить, что Мурманская область - один из развитых горнорудных регионов страны. Здесь сосредоточены крупные источники важнейших видов минерального сырья для черной и цветной металлургии, химической промышленности, стройиндустрии. На всех этапах становления и развития горных предприятий региона основными задачами было нахождение наиболее безопасных и эффективных технологических решений различных способов разработки месторождений. Подтверждением этого является создание концепции развития горнопромышленного комплекса региона, в которой были намечены основные пути стабилизации и развития его на ближайшую перспективу. Уже ведется переоценка запасов многих полезных ископаемых и перевод их в подготовленные в современных экономических условиях. А это значит, что, начиная от стадии проектирования и кончая эксплуатацией месторождений, стоят задачи изыскания технологических решений в новых горно-
геологических и экономических условиях. Сегодня мы имеем дело, как с осваиваемыми месторождениями, имеющими промышленное значение, так и с перспективными рудопроявлениями.
Очень широк диапазон горногеологических условий месторождений на полуострове: мощность рудных тел изменяется от нескольких сантиметров до сотни метров, угол падения - от 0 до 90 градусов, длина по простиранию - от нескольких метров до десятков километров, а содержание основного полезного компонента в руде изменяется от 1,5-2 до 40% и более. Поэтому расход руды на тонну концентрата колеблется от 3,5-4 т (например, апатитовый концентрат) до 50-60 т (лопаритовый концентрат). Такой широкий диапазон горно-геологических условий не позволяет решить вопросы геотехнологии и экономики одним каким-то технологическим решением. Общей становится только проблема поиска и исследования ресурсосберегающих технологий для всего горнопромышленного комплекса региона, на что и направлены наши усилия. Рассмотрим это на конкретных примерах многолетних исследований
лаборатории и промышленных предприятий региона.
Объектами исследования сектора подземной разработки недр являются подземные рудники полуострова, характеризующиеся широким диапазоном условий эксплуатации (табл. 1).
В последние годы выполнены ис-сследования по дифференциации горногеологических и геомеханических условий разработки одного из крупнейших шахтных полей редкометалльного месторождения - "Умбозерского" рудника [6]. Выделенные технологические зоны отличаются по напряженному состоянию массива горных пород, мощности рудного тела, содержанию полезного компонента, углу падения. Результаты этих исследований дали возможность дифференцированно подойти к расчету и принятию решения по параметрам конструктивных элементов систем разработки, параметрам технологических процессов и разработке мер по профилактике возможного возникновения непрогнозируемых горных ударов, что нашло свое отражение в соответствующих инструктивных материалах и регламентах на проектирование новых вариантов систем разработки. Для повышения безопасности работ и ресурсосбережения предложен новый способ проведения узких щелевых выработок методом недозаряжания скважин. Эксперименты показали экономическую эффективность способа: трудоемкость работ снижается на 25-30 %, расход ВВ уменьшается на 15-20 %, скорость проведения выработки увеличивается на 50 %. Преимуществом предложенного способа является также уменьшение времени нахождения людей в узком очистном пространстве, что существенно повышает безопасность работ.
В области развития геотехнологии разработки месторождений предложена схема ресурсосберегающих технологий и определены экономичные составы твердеющих смесей для закладки на основе отходов производства - хвостов обогащения медно-никелевых, редкоме-талльных руд и пород от проходки горных выработок [6].
Проведенными в этом направлении лабораторными экспериментами институтом и промышленными испытаниями доказана возможность получения твердеющих, закладочных гидравлических смесей на основе хвостов обогащения в широком диапазоне свойств по прочности, транспортабельности, водоотделе-
нию. Испытана технология нового варианта системы с селективной выемкой рудного тела, отличающаяся от известных способов буровзрывных работ, на маломощных месторождениях с одновременным разнонаправленным взрыванием шпуров в забое по руде и по вмещающим породам, что обеспечивает повышение качества отбиваемой горной массы, снижает трудоемкость. Промышленными испытаниями системы установлена возможность реализации данного способа выемки маломощных рудных тел с применением самоходного оборудования. Развитие основ теории проектирования нашло свое отражение в разработке методики выбора систем подземной разработки рудного месторождения с использованием информационной технологии. Разработанный алгоритм решения задачи и программа для ІВМ РС позволяют учитывать комплекс факторов в широком диапазоне их изменения. Практическая проверка работоспособности алгоритма выбора системы и программы осуществлена при выборе систем разработки для различных технологических зон месторождения цветных металлов .
В области теории проектирования эксплуатации полезных ископаемых разработана более совершенная методология экономического обоснования и выбора ресурсосберегающих технологий освоения месторождений. Она включает:
- новый метод определения платы за недра, основанный на выяснении реальной стоимости полезных ископаемых в месторождении. Это позволяет подойти к решению крупной проблемы сбалансированного недропользования, имея в виду как материальные, так и природные ресурсы, расходуемые на выпуск продукции горной промышленности;
- во-вторык, включает метод определения годовой производительности и резерва производственной мощности рудников по добыче руды на сложноструктурных слюдяных месторождениях с низкой достоверностью геологоразведочной информации о запасах полезных компонентов в недрах. Учет этого фактора исключает риск невыполнения производственных заданий и необходим для правильного прогнозирования технико-экономических показателей освоения таких месторождений;
- в-третьих, разработан метод экономической оценки вариантов ресурсосберегающих технологий, позволяющий
обосновать и принять технические решения наиболее правильные с позиций сбалансированного недропользования.
Фрагменты теоретических положений прошли проверку при решении инженерных задач для рудников региона. Проблемы и перспективы открытых горных работ в регионе решаются в лаборатории сектором открытой разработки недр [7]. На территории Мурманской области масштабные открытые горные работы ведутся на 9 карьерах (табл. 2). В последнее время ведется интенсивное строительство карьера Хромитовыш на «Североникеле», и карьера Комсомольский на АО «Олкон». Планируется расконсервация и доработка карьера Южный в "Печенганикеле". Из перспективных для открытой разработки месторождений полезных ископаемых можно выделить следующие: Ловнозерское и Карикъявр-2 медно-никелевые, титановое - Юго-Восточная Гремяха, Плоскогорское амазонитовое и некоторые другие. На балансе объединения "Апатит" стоят два детально разведанных и подготовленных для освоения месторождения: Партомчорр и Олений Ручей.
Железорудные предприятия области АО «Олкон» и АО «Ковдорский ГОК» в условиях нерегулируемого рынка поставлены в неравное положение с некоторыми другими отраслевыми предприятиями России, хотя по производительности по горной массе и экономике они вполне сопоставимы с аналогичными предприятиями центра России. Перспективы развития АО «Олкон» связаны как с переходом на подземный способ отработки Оленегорского, Кировогор-ского и, в перспективе, Комсомольского месторождений, так и с открытой разработкой 5-7 маломасштабных месторождений и рудопроявлений Заимандров-ского железорудного района.
Карьер АО «Ковдорский ГОК» обеспечен рудой на несколько десятков лет, далее также планируется переход на подземные горные работы. На «Пе-ченганикеле» планируется завершение в ближайшие годы открытых горных работ на действующих карьерах и переход на подземный способ или вовлечение в эксплуатацию карьеров на маломасштабных медно-никелевых месторождениях.
В целом состояние открытых горных работ в регионе является нестабильным и требует решения целого комплекса крупных проблем. В лаборатории продолжаются исследования по
перспективам развития схем цикличнопоточной технологии (ЦПТ) для добыши руды и выемки вскрышных пород.
Необходимо выполнить также исследования по рынкам сбыта как внутри страны, так и за рубежом. При успешном решении проблемы сбыта возможно наращивание объемов производства нефелинового концентрата, вермикулита, оливина и некоторых других видов сырья на действующих предприятиях. По мнению лаборатории следует поддерживать как можно более высокий уровень добычи руды открытым способом, что позволит решить социальные, энергетические, экологические и экономические вопросы, причем темпы разрешения их напрямую зависят от темпов повышения доли открытых горных работ на Кольском полуострове. Анализ существующих проектных решений отработки карьеров показал, что в них заложены углы откосов конечных бортов карьеров 40-45о, в то время как на зарубежных карьерах, работающих в скальных породах, борта имеют углы 50-60о. Компьютерное моделирование геомеха-нических процессов, проведенное в Горном институте КНЦ РАН, показало возможность перехода на более крутые углы откосов конечных бортов карьеров. Это ведет к оставлению нескольких миллионов кубометров горных пород за бортами карьера и экономии затрат на вскрышные работы.
Научное направление сектора комбинированной разработки недр - развитие научно-методических основ проектирования технологий перехода от открытого способа разработки к подземному в условиях крупномасштабного производства. В этом направлении в последние годы выполнен большой объем исследовательских работ при поддержке Российским фондом фундаментальных исследований:
• разработаны технологические схемы совмещения открытых и подземных работ в переходной зоне, позволяющие осуществить ступенчатый переход к крупномасштабной подземной
разработке после завершения работ на карьере;
• предложена классификация систем комбинированной разработки рудных месторождений по способу разделения выработанных пространств, образующихся в результате открытой и подземной выемки запасов;
• разработаны научные основы и технологические схемы выемки под-карьерных запасов на мощных рудных месторождениях Севера с термоизоляцией подземного очистного пространства;
• создан и апробирован при построении объемных геомеханических моделей пакет программ для реализации метода конечных элементов. Пакет позволяет учитывать в моделях горнотехнологические условия, определяющие особенности напряженно-деформированного состояния элементов системы "карьер-подземный рудник".
На Кольском полуострове ближайшие перспективы крупномасштабной комбинированной разработки недр связаны с вовлечением в отработку под-карьерных запасов апатито-нефели-нового месторождения Плато Расвум-чорр, а также Оленегорского, Кирово-горского и Комсомольского железорудных месторождений.
Элементы технологических схем комбинированной разработки применяются при отработке месторождений рудниками ОАО "Апатит", "Печенгани-кель".
В дальнейшем предусматривается решение следующих задач:
• научное обоснование объема информации в базе данных, необходимой для проектирования технологий комбинированной разработки рудных месторождений Севера, анализ состояния и прогноз развития рудной базы на основных объектах комбинированной разработки;
• исследование и выбор основных параметров комбинированной разработки рудных месторождений Севера
с термоизоляцией подземного очистного пространства;
• исследование параметров конструктивных элементов систем разработки при выемке подкарьерных запасов с учетом геомеханических ограничений и показателей извлечения.
Общий объем информации, необходимой для проектирования технологии комбинированной разработки рудных месторождений Севера, складывается из следующих информационных блоков:
• геологическая информация (разрезы, физико-механические свойства, техногенная нарушенность массива горных пород);
• орнотехническая информация (план горных работ и план поверхности);
• экономическая информация (ценность добываемого полезного ископаемого, допускаемая себестоимость добычи и переработки);
• банк данных по объемам и расценкам на строительство поверхност-
ных сооружений для функционирования участка подземных работ;
• банк данных по техническим и технологическим решениям при комбинированной разработке;
• банк данных по сечениям горных выработок и расценкам на их проведение;
• нормативные документы, регламентирующие требования к технике и технологии.
Общая концепция научного обоснования технических решений развития горнопромышленного комплекса региона заключается в широком использовании информационных технологий, компьютерного моделирования геодинами-ческих процессов, развития экспериментальной базы лаборатории, способствующих своевременному обеспечению научной информацией по геотехнологии открытого, подземного и комбинированного способов разработки рудных месторождений Кольского полуострова.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мельников Н.Н. Развитие горнопромышленного комплекса страны // Проблемы разработки месторождений полезных ископаемых и освоения подземного пространства Северо-Запада России. -Ч.1. - Апатиты, Изд. КНЦ РАН, 2001. - С. 6-21.
2. Трубецкой К.Н., Шапарь А.Г. Малоотходные и ресурсосберегающие технологии при открытой разработке месторождений. - М.: Недра, 1993. - 272 с.
3. Каплунов Д.Р., Юков В.А. Тенденции в развитии способов освоения минерально-сырьевой базы цветной металлургии // Горн. журн. - 2001. - № 9. - С. 22-23, 70.
4. Бессонов И.И., Мельников Н.Н. Основные направления повышения эффективности подземной разработки месторождений руд цветных металлов на Кольском полуострове и задачи исследований // Подземная разработка полезных ископаемых Кольского полуострова. - Апатиты: КФ АН СССР, 1985. - С. 3-12.
5. Бессонов И.И., Козырев А.А., Пернацкий С.И. Состояние и перспективы развития горных работ на Ловозерском месторождении // Горн. журн. - 2001. - № 9. - С. 16-19.
6. Бессонов И.И. Сбережение ресурсов при подземной разработке рудных месторождений // Проблемы разработки месторождений полезных ископаемых и освоения подземного пространства Се-
веро-Запада России. - Ч.1. - Апатиты, Изд. КНЦ РАН, 2001. - С. 621.
7. Решетняк С.П. Перспективы развития основного технологического оборудования для открытых горных работ // Там же. - Ч.2. -Апатиты, Изд. КНЦ РАН, 2001. - С. 5-25.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Бессонов И.И. - доктор технических наук, Горный институт КНЦ РАН.
