CC BY
266
© К.Н. Трубецкой, М.В. Рыльникова, 2015
УДК 622.271
К.Н. Трубецкой, М.В. Рыльникова
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ В XXI ВЕКЕ1
Открытая добыча руд, угля, алмазоносного и горностроительного сырья является генеральным направлением развития горнодобывающей промышленности РФ и наиболее надежным плацдармом развертывания крупных инновационных проектов.
Перспективы развития открытой разработки месторождений связаны с оптимизацией параметров горных работ и оборудования, техники и технологий, разработкой принципов рационального сочетания различных ресурсосберегающих, малоотходных и ресур-совоспроизводящих технологических процессов, и, прежде всего, предусматривающих широкое применение автоматизированных систем и методов управления добычей полезных ископаемых, в том числе с использованием роботизированной горной техники, которая создается на основе высокотехнологичных инновационных разработок в области телекоммуникаций, навигации, радиофизики, биотехнологий, ресурсовоспроизводства и энергоэффективности.
Ключевые слова: открытые горные работы, автоматизация, роботизация, управление качеством, интеллектуальный карьер, горнотранспортный комплекс.
Открытая разработка месторождений твердых полезных ископаемых была и остается генеральным направлением развития горнодобывающей промышленности России в XXI в., несмотря на все более сложные горно-геологические и суровые природно-климатические условия освоения месторождений Крайнего Севера, Сибири, Дальнего Востока и других регионов. Открытая добыча руд, угля, алмазоносного и горностроительного сырья является генеральным направлением развития горнодобывающей промышленности РФ и наиболее надежным плацдармом развертывания крупных инновационных проектов.
В России открытую разработку месторождений руд черных, цветных и драгоценных металлов, урана, угля, алмазо-
1 Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда по гранту № 14-37-00050.
содержащего и горно-химического сырья в настоящее время осуществляют более 200 горнодобывающих предприятий и около 4000 предприятий ведут добычу минерального сырья для производства строительных материалов. Открытым способом добывают 80-93% руд черных и цветных металлов, 70% угля, практически 100% строительных горных пород.
Причем, ретроспективный анализ истории горных работ свидетельствует о постоянном росте глубины карьеров и угольных разрезов. Так, в период 6-5 тыс. лет до нашей эры до конца XXI века глубина карьеров не превышала 100 м, в первой половине XX века она возросла до 200-300 м, во второй половине — уже до 600-700 м, а перспективные проекты XXI века ориентированы на глубину открытых горных работ 900 м и более. При этом, перечень основных технологических процессов открытой разработки месторождений твердых полезных ископаемых принципиально не меняется, меняется их наполнение, содержание и инженерно-техническое и управленческое сопровождение. Совершенствуется техника и, соответственно ей, — технологические процессы открытых горных работ. Увеличивается производственная мощность оборудования, расширяются его технологические, технические и операционные возможности. Растет уровень автоматизации горных работ не только на основных и вспомогательных процессах, но и на стадии геологоразведочных работ, подготовки, проектирования и планирования развития горных работ, комплексного мониторинга результатов, в управленческой деятельности. Изменяется роль человеческого фактора, сокращаясь до минимума в операционных процессах и явно увеличиваясь на уровне управления горными работами, анализа результатов, программного обеспечения операционной деятельности.
Анализ ресурсов минерально-сырьевого комплекса страны за последние 70 лет показал, что решение проблем освоения месторождений полезных ископаемых примерно в каждом десятилетии XX и XXI веков связано с рядом новых и повторяющихся (часто с усилением) ограничений:
- до 50-х годов — по материально-техническим и финансовым ресурсам;
- к 60-м годам — в связи с дефицитом некоторых видов высококачественных минеральных ресурсов (это потребовало,
например, организации строительства крупных горно-обогатительных комбинатов для добычи и обогащения железных руд);
- в 70-х годах — по государственной стратегии экономии трудовых ресурсов;
- с конца 80-х годов — в связи с быстрым нарастанием дефицита топлива и энергии, что потребовало ускоренного развития добычи нефти и газа;
- с 90-х годов — по финансовым и материально-техническим ресурсам в связи с переходом к новым, рыночным условиям (или сменой социально-политического строя) и резким ухудшением экологической обстановки в большинстве горнопромышленных регионов;
- с начала 2000-го года в связи с прекращением государством финансирования геологоразведочных работ в стране (которое вновь начало возрождаться с 2005 г. и до сих пор проблема восполнения разведанных запасов в полной мере не решена)
- с 2014-го года осложнена известными экономическими санкциями относительно нашей страны и необходимостью им-портозамещения зарубежного оборудования, запасных частей и технологий отечественными товарами и разработками.
Особо следует подчеркнуть продолжающееся на протяжении многих последних десятилетий снижение качества полезных ископаемых на разрабатываемых и большинстве вновь вовлекаемых в эксплуатацию месторождений, значительное усложнение горно-геологических, природно-климатических и экономико-географических условий освоения месторождений, особенно новых, при повышении требований к охране природной среды, что обусловливает устойчивую тенденцию существенного роста эксплуатационных и капитальных затрат в горной промышленности.
Преодоления сформировавшихся негативных тенденций перспективы развития открытых горных работ в XXI веке связаны с:
- совершенствованием техники и технологий открытой добычи твердых полезных ископаемых, соответствующих современному уровню мировой горной науки и производства;
- повышением организационно-технологического уровня производства с целью повышения его эффективности, интенсивности и роста производительности труда;
- разработкой и утверждением норм технологического проектирования горных предприятий с открытым способом добычи
полезных ископаемых, соответствующих современным знаниям о техногенном изменении недр Земли и требованиям их комплексного освоения и сохранения;
- масштабным развитием систем спутниковой навигации и диспетчеризации для централизованного и дистанционного управления горными работами, и как высший показатель их развития проектирование и строительство рудников в соответствии с концепцией «Интеллектуальный карьер»;
- активным использованием выработанных пространств карьеров в качестве многофункционального геотехнологического ресурса;
- многократным повышением энергоэффективности открытых горных работ за счет реализации технологий энерговоспроизводства и энергосбережения;
- созданием экологически сбалансированных горнотехнических систем, обеспечивающих эффективное освоение территорий без нарушения экологического баланса природной среды.
Общеизвестен факт, что действующие в России нормы не соответствуют мировой практике и современному уровню развития техники и технологий открытых горных работ. Отсутствие реальных нормативов, отвечающих общемировым тенденциям, рамки устаревших норм затрудняют разработку горных проектов, соответствующих мировому уровню, создают противоречия в ходе проведения государственных экспертиз проектов между требованиями эффективного и рационального использования недр и действующими в России нормами и стандартами. В результате утверждаются морально устаревшие проекты на разработку месторождений, тормозящие на десятки лет рост эффективности горных работ и не способствующие повышению качества, полноты и комплексности освоения недр.
Требуется пересмотр существующих подходов к проектированию горно-перерабатывающих производств. В настоящее время горные проекты на эксплуатацию месторождений разрабатываются согласно нормам технологического проектирования, изданным в 70-х годах прошлого века, а разработанным задолго до этого. Появление новых практических и научно-теоретических данных о закономерностях техногенного преобразования недр, развитие знаний о свойствах и состоянии
горного массива, методов управления устойчивостью породных обнажений и горнотехнических конструкций, появление новой техники и технологий обусловливают необходимость пересмотра действующих норм технологического проектирования горных предприятий и установления новых нормативов в соответствии с установленными закономерностями развития природной и техногенной геосреды и риском реализации геотехнологических процессов. Такую работу необходимо провести при координации НП «Технологическая платформа Твердые полезные ископаемые», утвержденной решением Правительственной Комиссии по высоким технологиям и инновациям, с привлечением всех заинтересованных лиц: государства, бизнеса, науки, образования.
Дальнейшее повышение эффективности открытой разработки месторождений в решающей степени зависит не только от применения новых разнообразных видов оборудования и технологий, диспетчеризации и автоматизации управления горнотранспортными комплексами, но и от ускоренного создания и широкого внедрения уникальных автоматизированных систем управления горными работами на основе полностью или частично роботизированной карьерной техники, обеспечивающей возможность работы горнотранспортного оборудования без водителей и операторов. При этом изменяются условия обеспечения безопасности горных работ, а, соответственно, и методические положения по обоснованию параметров горных конструкций и горнотехнических систем в целом.
Следует разработать новое нормативно-методическое руководство по определению углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов, проектируемых, строящихся и эксплуатируемых карьеров, предусматривающее:
- проведение расчетов устойчивости бортов, уступов и участков бортов карьеров, бортов и ярусов отвалов, как методами предельного равновесия, так и численного моделирования напряженно-деформированного состояния прибортового массива;
- выполнение кинематического анализа устойчивости уступов и участков бортов;
- использования вероятностных методов при оценке устойчивости горных конструкций;
- применение как российских, так и международных классификаций прочности и нарушенности горных массивов;
- использование 2D- и 3D-моделей карьеров;
- уточнение способов выбора необходимых коэффициентов запаса устойчивости бортов и уступов карьера, с учетом требуемых надежности и безопасности;
- учет сейсмичности и результатов геодинамического районирования территории будущего карьера.
При этом вновь разработанный и утвержденный документ в течение строго ограниченного переходного периода должен сохранять преемственность по отношению к действующим нормативным документам.
Необходимо при проектировании открытых горных работ существенно изменить и ужесточить подходы к качеству первичной горно-геологической информации, используемой при принятии проектных решений, с проведением геодинамического районирования и выявлением блочной структуры горного массива, содержащего разрабатываемое месторождение, повысить требования к проведению инженерно-геологических изысканий и подготовке территории проектируемых отвалов, а также к испытаниям физико-механических свойств отвальной массы с учетом ее гранулометрического состава и влажности. ^
Необходимым условием безопасного и экологически сбалансированного развития открытых горных работ является совершенствование системы мониторинга и наблюдений за деформациями бортов, откосов уступов карьеров и отвалов с применением современных методов ведения маркшейдерских работ и высокоточных деформационных замеров, включая ведение наземного и космического радарного мониторинга, лазерное сканирование, определение координат с использованием беспилотной аппаратуры и спутников, проведение стере-офотограмметрических исследований.
На решение вопросов повышения эффективности и безопасности открытых горных работ направлена разработанная российской компанией «ВИСТ Групп» при научно-методическом сопровождении работ ИПКОН РАН система автоматизированного управления производством «Карьер», получившая широкое применение на отечественных и зарубежных горных предприятиях с открытым способом добычи. Создание на базе
системы «Карьер» на основе роботизированной техники проекта «Интеллектуальный карьер» с представленным на рисунке 1 циклом движения роботизированного автосамосвала обеспечивает частичную или полную работу горнотранспортного оборудования без участия водителей или операторов. При этом в минимальном варианте управление осуществляется дистанционно, а в общем случае — полностью автоматически. Разработанный проект «Интеллектуальный карьер» — это и есть основная цель развития технологий управления открытыми горными работами.
Этапами развития и внедрения системы «Интеллектуальный карьер» являются:
1. Роботизированная перевозка самосвалами горной массы по фиксированному маршруту между стационарными пунктами погрузки-разгрузки в заранее заданном режиме.
2. Роботизированная перевозка самосвалами горной массы между экскаваторами и пунктами разгрузки, без оснащения дистанционным управлением экскаваторов и другой техники.
Рис. 1. Цикл движения роботизированного автосамосвала
3. Роботизированная перевозка самосвалами горной массы с использованием дистанционно управляемой техники
4. Роботизированная перевозка самосвалами горной массы в соответствии с разработанным программным обеспечением без участия оператора.
Фундаментальной базой создания «Интеллектуального карьера» являются новейшие достижения в высокоточной навигации, робототехнике, радиофизике, радиооптике и других.
Особенно актуально внедрение технологий автоматического планирования и управления производством при разработке уникальных по масштабам распространения и природно-экономиче-ской значимости железорудных месторождений Курской магнитной аномалии, где на одной территории протяженностью свыше 600 км в шести областях центральной России сосредоточено 60% общероссийских и 16% мировых запасов железных руд и широко распространены эталонные почвенные земли — черноземы.
Для сохранения этих земель в результате многолетних исследований силами ученых и производственников обоснованы и реализованы коренные изменения геотехнологии освоения месторождений КМА с полной утилизацией отходов их переработки в выработанном пространстве недр (рис. 2). При реали-
Рис. 2. Технологическая схема движения материально-сырьевых потоков с полной утилизацией отходов при комплексном освоении Коробкоского железорудного месторождения
зации этих геотехнологий не требуется изъятия дополнительных плодородных земель, в регионе сохраняется гидрогеологический баланс, сокращаются потери полезных ископаемых в целиках и потолочинах, обеспечивается сохранность подработанных территорий и природно-техногенных запасов, оставленных в недрах Земли.
Снимки этой территории, сделанные из космоса (рис. 3, 4), по-настоящему впечатляют. Ее название хорошо знакомо каждому из нас еще из школьных учебников: кто же не помнит поистине магические слова «Курская магнитная аномалия»? История открытия этого богатейшего месторождения — от первой догадки, что здесь природа приберегла сюрприз, до начала добычи железной руды более чем полтора столетия, известна всем. Недаром академик Иван Михайлович Губкин, много сил положивший на промышленное освоение этой территории, связал ее с историей «борьбы с косностью и консерватизмом».
Сегодня с Курской магнитной аномалией связаны крупнейшие горнодобывающие комбинаты, некоторые из них не раз и не два упоминались в Книге рекордов Гиннеса, благодаря объемам добычи руды и пространству, занимаемому производством. Как раз огромные масштабы этой территории производят неизгладимое впечатление, когда рассматриваешь космическую
Рис. 3. Поверхностная часть закладочного комплекса шахты им. Губкина комбината «КМАруда»
Рис. 4. Сформированный техногенный ландшафт при открытой разработке железорудных месторождений КМА
съемку. Признаться, создается двойственное впечатление. С одной стороны, это богатство страны, ведь речь идет об одном из крупнейших в мире железорудных бассейнов, по разведанным запасам с ним может поспорить разве что Бразилия. С другой стороны, создание новых технологий открыло принципиально новый путь технологического развития чрезвычайно важного для развития экономики страны региона.
При этом в корне изменяются сложившиеся подходы к открытой и подземной разработке месторождений КМА и раскрываются перспективы внедрения ресурсовоспроизводящих экологически сбалансированных геотехнологий в их комплексной увязке на обширной территории региона с поэтапным вовлечением в эксплуатацию природных, природно-техногенных и техногенных запасов железорудного сырья различной ценности с сохранением подрабатываемых территорий путем складирования всех без исключения образующихся отходов в выработанном пространстве недр.
Открытие новых месторождений полезных ископаемых геологами — это событие в естественных науках с многовековой перспективой его реализации и влияния на природную и социально-экономическую среду. Создание и реализация прин-
ципиально нового геотехнологического направления освоения месторождений Курской магнитной аномалии — в настоящее время и в многовековой перспективе этот железорудный район становится неисчерпаемым, является решением глобальной проблемы природоохранного и индустриального развития центра России.
Перспективы развития открытой разработки месторождений связаны с оптимизацией параметров горных работ и оборудования. Применением циклично-поточных технологий, техники непрерывного действия, комплексным освоением недр, переходом на большие глубины (свыше 1000 м), разработкой принципов рационального сочетания различных ресурсосберегающих, малоотходных и ресурсовоспроизводящих геотехнологий, широким применением автоматизированных систем и методов управления добычей полезных ископаемых на основе роботизированной горной техники.
Основная цель развития технологий управления горными работами — создание полностью автоматизированного производства на основе высокотехнологичных инновационных разработок в области телекоммуникаций, навигации, радиофизики, биотехнологий, ресурсовоспроизводства и энергоэффективости.
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Трубецкой Климент Николаевич — академик РАН, ИПКОН РАН, Москва, e-mail: [email protected]
Рыльникова Марина Владимировна — проф., д.т.н., ИПКОН РАН, Москва
UDC 622.271
SITUATION AND PROSPECTS OF OPEN-PIT MINING DEVELOPMENT IN THE XXI CENTURY
Trubetskoy Kliment N., Member of Russian Academy of Sciences, Researching Institute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources Russian Academy of Sciences (IPKoN RAS), Moscow, e-mail: [email protected]
Rylnikova Marina V, Doctor of Engineering Sciences, Professor, Researching Institute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources Russian Academy of Sciences (IPKON RAS), Moscow
Open-pit mining of ore, coal, diamonds and construction raw materials is a general direction of Russian Federation mining industry development and reliable base of a major innovation projects.
Prospects of open-pit mining development associated with mining processes, equipment and technologies parameters optimization, principles of rational combinations of different resources-saving, zero-waste and resources-reproducing technological processes development, and primarily automated systems that provided wide application and methods of mining processes control including using of robotic mining technic, which created on the base of high-tech and innovate solutions in the area of telecommunications, positioning, radiophysics, biotechnology, resource-reproducing and energy-effective technologies.
Key words: open-pit mining, automation, robotics, quality control, smart open-pit mining, haulage system.
