Комбинированная разработка рудных месторождений
Основы горного дела

Комбинированная разработка рудных месторождений

Вследствие многообразия схем комбинированной разработки, обусловленного различными возможными во времени и в пространстве комбинациями вариантов технологии открытых и подземных горных работ и физико-химических методов добычи, они трактуются в горнотехнической литературе неоднозначно, в том числе по-разному рассматривается и само определение комбинированного способа разработки. В историческом аспекте под комбинированной разработкой понималось любое сочетание открытого и подземного способов добычи при разработке одного и того же месторождения. При разделении способов разработки месторождений на открытый, подземный, комбинированный, повторный, а также геотехнологический (специальные методы добычи) из всех возможных вариантов комбинированной разработки особо выделялась совместная разработка — выемка запасов руд в пределах одного месторождения одновременно открытым и подземным способами. Было предложено понятие «повторная разработка» как добыча ранее потерянных руд подземным, открытым или физико-химическим способом. При этом в результате рассмотрения возможных комбинаций одновременного выполнения открытых и подземных работ в пределах одного карьерного (или шахтного) поля были выделены следующие варианты способов освоения месторождения:

  • совместная разработка, при которой верхнюю часть месторождения до определенной (технико-экономически обоснованной) глубины отрабатывают открытым способом, нижнюю часть — подземным, и горные работы в обеих частях ведут одновременно;
  • комбинированная разработка с первоначальной отработкой верхней части открытыми работами, а после их окончания — подземными;
  • повторная разработка месторождения после подземных работ подземным или открытым способом.

В соответствии с принятой классификацией горных наук и по аналогии с определением комбинированных систем подземной разработки рудных месторождений, сущность которых заключается в том, что часть залежи, подготовленная по единой схеме, делится на выемочные участки, отрабатываемые различными системами разработки, комбинированная технология предполагает освоение запасов месторождения различными способами при единой схеме вскрытия и подготовки.

Классификация возможных способов освоения запасов месторождения приведена на рис. 7.1. Комбинированная технология может быть представлена совокупностью процессов физико-технических и физико-химических технологий при различных сочетаниях во времени и пространстве открытых и подземных работ. При этом обязательное условие обеспечения эффективного применения комбинированной технологии — формирование единой схемы вскрытия и подготовки запасов на весь период эксплуатации месторождения при временной и пространственной увязке различных технологий в едином проекте освоения запасов.

Классификация способов освоения георесурсов
Рис. 7.1. Классификация способов освоения георесурсов

Внедрение комбинированной технологии освоения запасов при единой схеме вскрытия и подготовки с размещением основных вскрывающих выработок с учетом перспективы развития горных работ позволит существенно снизить капитальные и эксплуатационные затраты предприятий. При этом карьерные транспортные съезды и сам карьер следует рассматривать как вскрывающие выработки. Такой опыт имеется как в отечественной, так и в зарубежной практике. Известен также положительный опыт использования подземных выработок для вскрытия глубоких горизонтов карьера.

Очевидно, что отказ от двух самостоятельных схем вскрытия шахтного и карьерного полей путем применения единой схемы с комплексной увязкой технологий открытых и подземных работ, а в ряде случаев и физико-химических технологий в едином плане горных работ по освоению запасов месторождения, расширит область эффективного применения комбинированной технологии и позволит избежать негативных последствий периода перехода с одного вида горных работ на другой при рассмотрении их в раздельных проектах. Кроме того, при последовательной открыто-подземной технологии, а также при параллельной разработке запасов открытым и подземным способами имеется возможность отработки части запасов, расположенных в переходной зоне на границе карьерного и шахтного полей, комбинированным способом. В этом случае горные работы на выемочном участке ведут единым фронтом очистных работ по единой технологической схеме, предполагающей комбинацию элементов различных физико-технических и физико-химических технологий.

Анализ отечественного и зарубежного опыта освоения месторождений комбинированным способом показал, что объектами комбинированных технологий являются месторождения, обладающие определенным комплексом горногеологических и экономических параметров: глубина распространения рудных тел; морфология, угол падения и мощность залежей; величина запасов; состояние поверхности; минеральный состав полезных ископаемых; ценность полезных компонентов и их содержание; экологическая ситуация на территориях, примыкающих к будущему горному производству; прогнозная степень загрязнения подземных и поверхностных вод, почвы, атмосферы; нарушения сложившегося гидробаланса; стоимость земель, подлежащих изъятию; возможность использования формируемых полостей в горном массиве в качестве емкостей для складирования отходов; конъюнктура современного рынка и на перспективу.

Все месторождения по горно-геологическим условиям и эффективности способов их разработки можно разделить на три группы, для которых:

  • выемка всех запасов открытым способом экономически нецелесообразна из-за превышения граничного коэффициента вскрыши;
  • комбинированная разработка позволяет увеличить годовые объемы добычи;
  • комбинированная разработка дает возможность снизить удельные затраты на добычу.

К первой группе относятся месторождения весьма ценного дефицитного сырья, потребности в котором неограниченны. Цены значительно превосходят удельные затраты на добычу как открытым, так и подземным способами, а возможности компенсации производственных мощностей практически отсутствуют. Основным требованием к освоению таких месторождений является обеспечение максимальных объемов добычи при минимуме потерь. К этой группе относятся месторождения драгоценных камней и металлов, редких земель, некоторых цветных металлов. Данная группа месторождений, связанная с дефицитом предмета труда, ограниченными природными ресурсами, измеряемыми объемом запасов и величиной рудной площади, является определяющей при выборе комбинированного способа разработки на относительно небольших рудных площадях, что характерно главным образом для крутопадающих рудных месторождений.

Вторая группа включает месторождения распространенного сырья, спрос на которое определяется текущими нуждами потребителей. Цены превышают затраты на открытую разработку, но находятся в диапазоне изменения затрат при подземной добыче. Имеются возможности компенсации дефицита добычных мощностей, главным образом за счет подземной разработки. В этом случае необходимо обеспечить максимальный объем добычи при минимальных затратах. К данной группе относятся месторождения черных и некоторых цветных металлов. Дефицит имеющихся средств на разработку месторождений и размер капвложений играют определяющую роль при проектировании разработки таких месторождений в условиях больших рудных площадей или «неограниченных» запасов, что характерно для пологопадающих залежей.

Третья группа представлена месторождениями весьма распространенных полезных ископаемых, потребности в которых ограничены, например, региональными нуждами. Цены находятся в диапазоне изменения затрат при открытой добыче. Имеются возможности компенсации недостающих производственных мощностей за счет открытых работ. Основные требования к освоению таких месторождений сводятся к обеспечению заданных объемов добычи при минимальных затратах. Основную массу месторождений этой группы составляют месторождения строительных материалов. Для месторождений третьей группы наиболее перспективным вариантом является последовательная разработка, причем объектом непосредственного проектирования является карьер, а вопросы, связанные с подземной добычей, могут рассматриваться в период затухания открытых работ или после их окончания. В этом случае особенности, обусловленные ведением открытых работ, учитывают в виде исходных данных при проектировании подземного рудника.

Учитывая существенное влияние на выбор способа освоения участков месторождения качественного состава и горно-геологических условий залегания, а также месторасположения запасов относительно контура карьера и необходимость учета последнего фактора при расчете параметров элементов систем разработки в соответствии с горным терминологическим словарем, целесообразно все запасы, осваиваемые комбинированной технологией, разделить на четыре группы (рис. 7.2 и 7.3):

  • карьерные, расположенные в пределах карьерного поля, ограниченные предельным контуром карьера;
  • открыто-подземные, осваиваемые комбинацией технологических процессов открытых и подземных горных работ и непосредственно выходящие в предельный контур карьера;
  • шахтные, расположенные в пределах шахтного поля и осваиваемые подземной технологией;
  • забалансовые — некондиционные руды, отработка которых экономически нецелесообразна.

При выемке карьерных и открыто-подземных запасов формируется единое карьерное пространство, ограниченное новым положением предельного контура карьера, имеющего более крутые углы в основании. Последнее обеспечивается технологическими и техническими особенностями взаимно благоприятного влияния совместного применения в переходной зоне технологических процессов открытых и подземных работ.

Классификация запасов месторождений, осваиваемых комбинированной технологией
Рис. 7.2. Классификация запасов месторождений, осваиваемых комбинированной технологией

Шахтные запасы, расположенные в пределах шахтного поля, делятся по положению относительно контура карьерного пространства на прикарьерные 4, 5 и удаленные от карьера 6 (рис. 7.3). Выемка удаленных от карьера запасов не требует корректировки технологических решений, принимаемых при подземной отработке запасов. Отработка прикарьерных запасов осуществляется в зоне влияния карьера на напряженно-деформированное состояние массива, может сопровождаться выходом подземных блоков в карьерное пространство и приводить к возникновению гидро- и аэродинамических связей подземных выработок с атмосферой карьера. При обосновании параметров отработки указанных запасов следует учитывать эти особенности.

Схема к классификации запасов месторождений, осваиваемых комбинированной технологией
Рис. 7.3. Схема к классификации запасов месторождений, осваиваемых комбинированной технологией: 1 — карьерные запасы, удаленные от предельного контура; 2 — карьерные приконтурные запасы; 3 — открыто-подземные запасы; 4 — шахтные прибортовые; 5 — шахтные подкарьерные; 6 — шахтные, удаленные от контура карьера

Прикарьерные запасы по положению относительно контура карьерного пространства делятся на прибортовые 4, расположенные в бортах, и подкарьерные 5, находящиеся ниже уровня предельного положения дна карьера.

Карьерные, открыто-подземные и шахтные запасы по возможности освоения физико-техническими методами делятся на извлекаемые и неизвлекаемые (проектные потери и эксплуатационные потери отбитой руды).

Проектные и эксплуатационные потери совместно с некондиционными рудами, которые либо отличаются низким содержанием полезных компонентов, либо расположены в неблагоприятных для отработки физико-техническими технологиями зонах, — маломощные участки (выклинки) или руды, залегающие в неблагоприятных горно-геологических условиях, образуют запасы, являющиеся объектом освоения комбинированной физико-химической технологией, предусматривающей изменение агрегатного состояния полезных компонентов и выдачу их по трубам или скважинам на поверхность для последующей переработки.

Комплексный открыто-подземный способ разработки предполагает два этапа развития открытых работ. На первом этапе открытая разработка начинается на одном из флангов месторождения и осуществляется утлубочной поперечной однобортовой системой с внешним отвалообразованием. После достижения карьером заданной глубины на этом фланге рудного тела открытые работы переходят на поперечную однобортовую систему с постоянной рабочей зоной и внутренним отвалообразованием и развиваются в дальнейшем в горизонтальном направлении. Фронт горных работ в карьере перемещается от одного фланга к другому по простиранию залежи. После подвигания рабочего борта на 150–200 м у нижней границы карьера в торцовой части нерабочего борта проходят восстающий, который соединяет дно карьера, и подземный концентрационный горизонт, предварительно сформированный в его основании. Сериями вертикальных скважин восстающий расширяют в отрезную щель, ориентированную вкрест простирания рудного тела на всю его мощность. Далее рудную толщу, расположенную между дном карьера и подземным концентрационным горизонтом, обуривают на всю высоту с применением карьерной буровой техники. Осуществляется одностадийная выемка полезного ископаемого, включающая взрывание рудной толщи на всю высоту, выпуск и транспортирование руды через подземные выработки к рудовыдачным стволам. В результате образуется уступ открыто-подземного яруса (ОПЯ), который отрабатывают вслед за подвиганием фронта открытых горных работ с заданным отставанием в плане.

Запасы, расположенные ниже ОПЯ, отрабатывают подземным способом. При этом образуется единое выработанное пространство карьера, ОПЯ и подземных очистных работ. Оно используется в качестве емкости для складирования пород вскрыши, поступающих из карьера. Такая технология горных работ позволяет отработать переходную зону, разделяющую карьер и подземный рудник, одним уступом большой высоты с минимальным объемом вскрышных работ. Обеспечивается возможность наиболее эффективно использовать карьерную буровую технику и подземный транспорт при отработке запасов ОПЯ. Подземный концентрационный горизонт может быть использован для выдачи руды, поступающей с нижних горизонтов карьера.

После отработки переходной зоны и размещения пород вскрыши в едином выработанном пространстве создаются условия для применения на подземных работах систем с обрушением руды. При этом выпуск руды осуществляется под налегающими породами внутреннего отвала.

Таким образом, комплексный открыто-подземный способ добычи заключается в разработке месторождения по глубине тремя ярусами:

  • первый отрабатывается открытыми работами до их проектной глубины;
  • второй (ОПЯ) — одним высоким уступом без разноса бортов карьера с использованием карьерной и подземной буровой техники и выпуском руды в подземные выработки;
  • третий — подземными работами.

Между карьером и подземными работами образуется по вертикали единое выработанное пространство. Размещение в образующемся едином выработанном пространстве карьера ОПЯ и подземных горных работ внутреннего отвала вскрышных пород повышает устойчивость массива за счет пригрузки бортов выработанного пространства (рис. 7.4–7.8).

Комбинированная разработка с открытым очистным пространством в переходной зоне и закладкой на подземном руднике
Рис. 7.4. Комбинированная разработка с открытым очистным пространством в переходной зоне и закладкой на подземном руднике: 1 — отрезная щель; 2 — буровые орты; 3 — рудоспуски; 4 — доставочный орт; 5 — откаточный горизонт; 6 — подэтажный штрек; 7 — вентиляционно-ходовой восстающий; 8 — буровой станок на дистанционном управлении
Комбинированная разработка с закладкой на подземном руднике и последующей отработкой прибортовых запасов взрыванием вееров скважин
Рис. 7.5. Комбинированная разработка с закладкой на подземном руднике и последующей отработкой прибортовых запасов взрыванием вееров скважин: 1 — вентиляционный штрек; 2 — вентиляционно-ходовой восстающий; 3 — рудоприемная траншея; 4 — заезды; 5 — доставочный штрек; 6 — рудоспуск; 7 — кольцевой откаточный штрек; 8 — буровые выработки
Комбинированная разработка с опережающей отработкой прибортовых запасов с закладкой
Рис. 7.6. Комбинированная разработка с опережающей отработкой прибортовых запасов с закладкой: 1 — подпорные стенки; 2 — наклонный съезд; 3 — вентиляционно-закладочный горизонт; 4 — предельный контур карьера; 5 — доставочный горизонт; 6 — рудоприемная траншея; 7 — камера; 8 — рудоспуск
Комбинированная разработка с обрушением и площадным выпуском
Рис. 7.7. Комбинированная разработка с обрушением и площадным выпуском: 1 — вентиляционно-ходовой восстающей; 2 — кольцевой доставочный штрек ОПЯ; 3 — рудоспуск; 4 — кольцевой откаточный штрек; 5 — заезды; 6 — рудоприемные воронки; 7 — буровой штрек; 8 — внутренний отвал; 9 — восстающий
Комбинированная разработка с отработкой горизонтальными слоями с закладкой в переходной зоне и подземного рудника
Рис. 7.8. Комбинированная разработка с отработкой горизонтальными слоями с закладкой в переходной зоне и подземного рудника: 1 — искусственная потолочина; 2 — вентиляционно-закладочный горизонт; 3 — закладочные скважины; 4 — контур рудного тела; 5 — откаточный горизонт; 6 — наклонный съезд

Характерными особенностями комплексного открыто-подземного способа, которые необходимо учитывать при проектном обосновании параметров разработки крутопадающих залежей, являются: наличие единого выработанного пространства, обеспечивающего размещение вскрышных пород во внутренних отвалах; отработка переходной зоны от открытых работ к подземным горным работам одним уступом большой высоты с использованием карьерной и подземной буровой и транспортной техники; рациональная взаимоувязка технологических схем открытого и подземного способов добычи в процессе разработки месторождения.