CC BY
98
--© М.М. Хайрутдинов, А.П. Моисеенко,
2008
УДК 622.272
М.М. Хайрутдинов, А.П. Моисеенко
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ С ЗАКЛАДКОЙ ПРИ РАЗРАБОТКЕ НОРИЛЬСКИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Семинар № 17
Месторождения Норильска представляют собой мощные пологопадающие залежи, сложенные тремя основными типами руд с резко различной ценностью. В нижней части расположены богатые сплошные сульфидные руды, мощностью 5-25 м, а прямо над ними значительно более бедные «вкрапленные», мощность которых составляет 30-50 м. Промежуточные по ценности «медистые» руды распространены на локальных участках.
Горнотехнические условия отработки характеризуются уникальной
сложностью и разнообразием. Глубина горных работ изменяется от 100 до 1700 м и более. Начиная с глубины 700 м руды и породы отнесены к ударо-опасным.
Первоначально, до широкого внедрения самоходного оборудования применялись камерные системы разработки с закладкой. Высокая ценность сплошных руд предопределила их отработку системами разработки с закладкой выработанного пространства. При этом с увеличением глубины разработки и связанным с ней ростом горного давления шло постоянное совершенствование технологии выемки, увеличения производительности и безопасности работ. Поиск путей интенсификации горных работ, снижения потерь полезного ископаемого, а также создания условий, при которых достигается локализация или
снятие опасных концентраций напряжений в зоне очистных работ, привел к созданию технологии сплошной одностадийной выемки руд горизонтальными слоями снизу вверх с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями.
Данная система разработки нашла наибольшее применение на руднике «Комсомольский» (глубина до 750 м) и позволила производительно, практически без потерь (1-1,5 %) и с высокой степенью безопасности вести разработку залежей. При этом на всех этапах добычи использовались комплексы высокопроизводительного самоходного
оборудования.
Переход на глубины разработки 850900 м (поле рудника «Октябрьский») сопровождался динамическими
проявлениями горного давления. Наиболее характерные из них - шелушения, стреляния из бортов и кровли, а также горные удары при разрезке рудного тела. В этих условиях был осуществлен переход на сплошные системы разработки с закладкой с нисходящей слоевой выемкой руды с
последующей закладкой.
В настоящее время большое распространение на рудниках получили различные варианты сплошной системы разработки с закладкой и выемкой руды слоями в восходящем порядке с опережающей надработкой массива по кровле
Рис.1. Система разработки горизонтальными слоями с закладкой ГМК «Норильский никель»:
1 - фланговый уклон; 2 - слоевые заезды; 3 - очистной слой; 4 - панельный целик; 5 - рудоспуск; 6 - вентиляционно-закладочный горизонт; 7 - закладочная скважина; 8 - заложенный массив; 9 -откаточный квершлаг; 10 - вентиляционный восстающий
и созданием защитного перекрытия (рис 2).
Данная технология сочетает в себе комбинацию основных элементов технологии восходящей выемки - слоями снизу вверх и нисходящей - опережающую надработку массива по кровле руд-
ного тела и создания защитного перекрытия (рис. 3). В практике рудников ГМК «Норильский никель» он получил название комбинированный. Главное преимущество состоит в том, что зона опорного давления формируется впереди фронта надработки, а зона очистных работ остается разгруженной от повышенного горного давления.
Создание защитного пе-
Рис. 2. Варианты сплошной системы разработки с закладкой ГМК «Норильский никель»: а - система разработки горизонтальными слоями с закладкой; б - выемка с опережающей надработкой и последующей закладкой; в - выемка камерами; г - нисходящая слоевая выемка с последующей закладкой; 1 - рудное тело; 2 -очистные выработки; 3 - закладочный массив; 4 - упрочнённый слой искусственной кровли
рекрытия в кровле рудного тела значительно снизило вероятность возникновения горных ударов, но не исключило полностью возможность их возникновения. В связи с этим на глубоких рудниках широкое распространение получили методы разгрузки массива применением различных профилактических мероприятий путем разбуривания массива шпурами или скважинами в местах повышенных концентраций напряжений, а также камуфлетного и сотрясательного взрывания, которые на глубинах до 1100 м позволили обеспечить требуемое снижение уров-ня концентраций напряжений в несущих конструкциях.
Для условий отработки на больших глубинах мощных пологих залежей с интенсивно развитой тектонической нарушенностью создан вариант сплошной клинообразной выемки по восстанию залежи с образованием временных разделительных целиков (рис. 4).
Применение данной технологии выемки позволяет сконцентрировать горные работы на одном-двух горизонтах и обеспечить высокую интенсивность ведения горных работ за счет вовлечения в эксплуатацию максимального числа очистных забоев. На полной стадии развития их количество на фланге панели при совместной отработке основных запасов и
Рис. 3. Система разработки горизонтальными слоями с закладкой с опережающей надработкой и созданием упрочнённого слоя: 1 - упрочнённый слой; 2 - отрабатываемые слои; 3 - отрабатываемые блоки; 4 - заезды; 5 - искусственный массив (закладка); 6 - рудный массив
запасов целика может достигать 7-8, что создает резерв мощности предприятия. Система разработки обладает достаточной гибкостью и надежностью вследствие наличия резервных забоев, позволяющих останавливать работы на уда-роопасных участках, где необходимо проведение профилактических мероприятий по разгрузке массива. При этом предполагается осуществлять поэтапную выемку запасов панелей, размеры которых устанавливаются с учетом особенностей горно-геологических условий эксплуатации.
Первый этап разработки включает в себя развитие горных работ одновременно в нескольких панелях путем ввода в эксплуатацию последовательно очистных лент, начиная от первой -разрезной, расположенной в центре выемочной панели, с выемкой слоями в восходящем порядке по восстанию залежи. При этом линия фронта очистных работ при отработке двух смежных выемочных участков имеет в плане форму клина с развитием очистных работ по восстанию и простиранию залежи.
По мере отработки запасов в
смежных панелях между ними образуется временный разделительный целик, предельно допустимые размеры которого для условий отработки месторождений Норильского района на глубине 1000 м составили 40 м. Следующий этап разработки связан с
совместной выемкой очистных запасов панелей и временного целика, когда и образуется сплошной клинообразный фронт выемки по восстанию залежи. Он осложняется тем, что при выемке целика могут возникнуть нагрузки, превышающие предельные. Это требует перед началом отработки проведения комплекса мероприятий по разгрузке целика от повышенных напряжений путем камуф-летного взрывания шпуров и скважин, разбуривания массива и т.д., а в дальнейшем придания искусственной податливости массиву подработкой очистными забоями и закладкой выработанного пространства.
В целом испытанные технологические схемы выемки обеспечили ус-
Рис. 4. Вариант сплошной клинообразной выемки с закладкой
тойчивость очистных выработок и показали возможность применения сплошной выемки руды слоями в восходящем порядке клинообразным
фронтом по восстанию залежи в массивах сильной трещино-ватости в случае расположения очистных забоев вкрест простирания основной системы трещиноватости.
Исторически в практике горного дела при планировании очередности отработки запасов стремятся в первую очередь отработать наиболее богатые участки. Все действующие рудники Норильска также отрабатывают залежи сплошных сульфидных руд с оставлением «вкрапленных» для последующей выемки.
Негативные последствия такого подхода при отработке залежей с резко различной ценностью руд заключаются в следующем:
1. С неизбежным увеличением глубины ведения работ резко возрастает стоимость проведения и поддержания выработок, увеличиваются затраты на вспомогательные процессы горного производства, поэтому даже отработка богатых руд при многостадийной схеме, как показали расчеты по критерию ЧДД для рудника «Глубокий» (1700 м) находится на грани рентабельности, поэтому существует значительный риск того, что отработка бедных руд станет
просто невыгодной.
2. Необходимо строительство и поддержание в течение всего срока эксплуатации рудника капитальных выра-
Рис. 5. Развитие горных работ при отработке удароопасных участков (Вариант сплошной клинообразной выемки с закладкой). ГМК «Норильский никель»: 1 - горизонт выпуска; 2 -руда; 3 - закладка; 4 - вертикальные скважины; 5 - обуренный блок (блок подготовленный к отбойке); 6 - веерные скважины, формирующие основание блока (выпускную воронку); 7 -отбитая руда; 8 - откаточные выработки; 9 - фронт развития горных работ
боток, пройденных во вмещающих породах.
3. Возрастает общая протяженность подземных выработок и, следовательно, существенно возрастают расходы на подземный транспорт, вентиляцию рудника, поддержание выработок и т.д. То есть возрастает непроизводительная составляющая себестоимости руды. Так, например, на сегодняшний день собственно затраты на добычные работы составляют на рудниках Норильска от 24 до 31 % от полной себестоимости, при этом в дальнейшем неизбежно дальнейшее увеличение доли непроизводительных расходов.
4. В будущем необходимость поддержания на достигнутом уровне производства металлов приведет к необходи-
мости увеличения добычи руды более чем в два раза в течение короткого промежутка времени, что потребует многомиллиардных инвестиций в производство.
5. При многостадийной схеме отработки залежей резко возрастает объем капитальных и подготовительно-нарезных выработок.
Исходя из вышеизложенного можно сформулировать ряд требований к технологии отработки мощных залежей разносортных руд, залегающих на больших глубинах:
- отказ от первоначальной избирательной отработки наиболее богатых участков месторождения и переход к валовой выемке с селективной выдачей разносортных руд;
- снижение степени влияния горногеологических условий на технологические процессы подземного рудника;
- независимость основных технологических процессов во времени и пространстве;
- высокая степень механизации и автоматизации основных и вспомогательных процессов;
- возможность оперативного контроля и регулирования основных технологических процессов;
- стабильность структуры издержек производства в течение основной фазы работы рудника (после выхода на проектную мощность и до начала затухания);
- производство продукции с заданным качеством;
- снижение экологической нагрузки на окружающую среду
В результате была разработана геотехнология, наиболее полно отвечающая предъявляемым требованиям, в которой объединены наиболее важные достижения последних десятилетий, апробированные мировой практикой ведения горных работ, в том числе и на рудниках ГМК «Норильский никель»:
- клинообразный фронт очистных работ с постепенным внедрением горных работ в массив горных пород с расположением разрезки шахтного поля перпендикулярно основным системам тектонических нарушений;
- постепенное увеличение изрезан-ности прилегающего к очистным работам массива горных пород подготовительными и нарезными выработками по опыту полиметаллических рудников Польши и золотоносных рудников ЮАР;
- учет ориентации тектонических нарушений при выборе направления развития фронта горных работ.
- применение на очистных работах коротких вертикальных блоков и мето-
дов отбойки руды по способу VCR (рудники Канады, Австрии и Австралии);
- применение на очистных работах скважин большого диаметра (от 160 до 250 мм) и современных методов инициирования, позволяющих снизить сейсмическое воздействие на окружающий массив;
- крепление кровли подсечек современными видами крепи;
- разделение и непрерывность технологических процессов добычи руды (бурения, отбойки, закладки).
Для отработки пологих залежей, сложенных разносортными рудами создан вариант с одновременной селективной отбойкой руды сплошной камерной системой с закладкой. Сущность его заключается в том, что богатые руды отбивают на стадии образования компенсационного пространства. Вкрапленные руды отбивают камерами размерами в плане 12*12 -18*18 м и высотой равной мощности залежи. Руду отбивают послойно с использованием метода VCR. Данная технология позволяет повысить устойчивость бортов камер, уменьшить сейсмическое действие взрыва, улучшить качество дробления руды.
Преимущество данной схемы заключается в том, что отработка сплошных сульфидных и вкрапленных руд идет без отставания во времени и пространстве. Вместе с тем обеспечивается раздельная выдача руды по сортам.
Технический и экономический эффект достигается по следующим направлениям:
1. Применение закладки выработанного пространства позволяет снизить потери руды с 19,8 до 5 %, а ра-зубоживание с 15.7 до 12 % по сравнению с системой с обрушением руды и пород.
2. Повышение качества рудной массы и снижение вредного влияния разу-
боживания закладкой повышает коэффициент извлечения полезного компонента при обогащении.
3. Независимость работ по бурению, отгрузке руды и закладке выработанного пространства позволяет практически ликвидировать цикличность горных работ.
4. Благодаря применению клинообразного фронта, горные работы ведутся в узкой "рабочей зоне" шириной 36-45 м. Фронт горных работ после выхода на проектную мощность остается постоянным, что позволяет избежать деконцентрации горных работ и связанных с этим дополнительных издержек. За счет этого технико-экономические показатели рудника остаются практически неизменными на протяжении всего срока отработки запасов.
5. Сгущение сети подготовительных и нарезных выработок происходит постепенно по мере движения
фронта очистных работ, в отработанной зоне выработок не остается, таким образом, эффективно реализуется способ управления горным давлением за счет изменения деформационных свойств массива.
6. Значительно снижаются требования к нормативной прочности закладки, что позволяет значительно сократить расход вяжущего и тем самым снизить стоимость закладочных работ в целом, при этом возможна утилизация хвостов обогащения за счет использования их в качестве компонента закладочных смесей.
Таким образом обеспечивается комплексный положительный эффект по всем основным технологическим процессам, что позволяет распространить традиционно считающуюся дорогой систему разработки с закладкой на отработку сравнительно бедных вкрапленных руд. гттттз
— Коротко об авторах -
Хайрутдинов М.М. - кандидат технических наук, доцент, Моисеенко А.П. - студент,
Московский государственный горный университет.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 17 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. Е.В. Кузьмин.
