Способ выемки алмазосодержащих руд из целиков
Владельцы патента RU 2547858:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова" (RU)
Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при разработке руд, в частности алмазосодержащих, залегающих в виде целиков за контуром карьера непосредственно под ответственными объектами. Техническим результатом является повышение эффективности укрепления массива горных пород в зоне возможного сдвижения при выработке руд, что обеспечивает их устойчивое состояние и надежность размещения наземных объектов. Способ включает проходку подземных выработок с открытых выработанных пространств карьеров, закладку выработанного пространства при выемке целиков техникой подземных работ. При этом предварительно укрепляют массив горных пород под объектами с помощью свай, размещаемых вдоль площади наземных объектов в наклонных скважинах и формируемых путем заливки скважин твердеющим раствором с установкой по центру свай армирующих элементов. Далее производят выемку целиков при одновременной закладке выработанного подземного пространства пустыми породами с укладкой на их поверхности упрочняющего покрытия. 1 пр., 1 табл., 4 ил.
Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при разработке руд, в частности алмазосодержащих, залегающих в виде целиков за контуром карьера непосредственно под ответственными объектами, например поселками, аэродромами и т.д.
Известен способ выемки полезных ископаемых под бортами карьера после постановки последних в конечное положение, включающий использование бурошнековых машин (см. Точилин В.Н. Ресурсосберегающие технологии разработки кимберлитовых трубок малых размеров // В сб.: Актуальные проблемы разработки кимберлитовых месторождений: современное состояние и перспективы решения, матер. междунар. научн.-практ. конф. (г. Мирный, 2001). - М.: Изд. дом «Руда и металлы», 2002. - С.346-351).
Недостатками способа являются необходимость использования специального выемочного оборудования, требующего значительных затрат и большие потери полезного ископаемого в межскважинных целиках.
Известен способ отработки прибортовых запасов руды, выходящими в карьер камерами с комбинированной закладкой, состоящей из вскрышных пород (см. Рыльникова М.В. Комплексное освоение рудных месторождений комбинированным способом. - Магнитогорск: изд. МГГУ, 1998. - C.111-120).
К недостаткам известного способа можно отнести трудоемкость выполнения закладочных работ и преимущественное его использование в весенне-летний период.
Известен также способ выемки целиков руды под бортами при доработке карьеров в условиях криолитозоны с применением искусственных льдопородных целиков с использованием технологии и техники открытых разработок (см. Андросов А.Д. Технология разработки глубоких карьеров Якутии. - Новосибирск: Сибирская издательская фирма РАН «Наука», 1996. - С.159-161).
Однако сооружение льдопородного массива неизбежно будет связано с большим объемом трудозатратных работ, кроме того, его конструкция в условиях поступления в карьерное пространство подмерзлотных агрессивных рассолов, разрушающих искусственный целик, будет характерна низкой прочностью.
Известен также способ выемки целиков руды при подземной разработке, включающий операции обнажения целиков с помощью скважин и транспортирование их до пункта погрузки автосамосвалами или погрузочно-доставочными машинами на тросовой тяге (см. SU №894197, E21C 41/06, опубл. 30.12.1981).
Основными недостатками прототипа являются снижение эффективности, обусловленные трудоемкостью транспортирования целиков, повышенной опасностью в результате усадки поверхности земли, создающей угрозу разрушения наземных объектов (зданий, сооружений и т.д.).
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в повышении эффективности выемки руд из целиков и обеспечении безопасности наземных объектов.
Технический эффект, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в укреплении массива горных пород в зоне возможного сдвижения при выработке руд путем сооружения конструкций, обеспечивающих их устойчивое состояние и надежность размещения наземных объектов.
Для решения поставленной задачи способ выемки руд (в том числе алмазосодержащих) из целиков, включающий проходку подземных выработок с открытых выработанных пространств карьеров, закладку выработанного пространства при выемке целиков техникой подземных работ, отличается тем, что с целью повышения эффективности выемки руд из целиков и обеспечения безопасности наземных объектов (например, аэродромов, зданий, сооружений, конструкций и т.д.) предварительно укрепляют массив горных пород под объектами с помощью свай, размещаемых вдоль площади наземных объектов в наклонных скважинах и формируемых путем заливки скважин твердеющим раствором, например бетоном, с установкой по центру свай армирующих элементов, например сердечников из железных труб, далее производят комбайновую выемку целиков при одновременной закладке выработанного подземного пространства пустыми породами с укладкой на их поверхности упрочняющего покрытия, например, на основе цементно-щебеночного раствора.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
В предлагаемом способе новыми признаками являются:
- использование нового принципа укрепления массива пород под объектами путем сооружения наклонных армированных свай, например, из бетона, в качестве армирующих элементов которых могут служить железные трубы, базальтовые, углепластиковые стержни и т.д.;
- использование новой технологической схемы отработки целиков под объектами комбайнами путем закладки выработанного подземного пространства пустыми породами с укладкой на их поверхности твердеющего слоя, например, на основе цементно-щебеночного покрытия.
Все указанные новые признаки исключают недостатки существующих способов выемки руд из целиков и обеспечивают следующие положительные свойства:
- увеличение площади поддерживаемого массива наклонными сваями;
- исключение возможных деформаций массива пород в результате применения подземного способа выемки целиков с закладкой выработанного пространства и безвзрывного их извлечения;
- сохранение целостности массива горных пород под наземными объектами, что исключает его деформацию и усадку;
- снижение стоимости и трудоемкости работ за счет использования новой технологической схемы отработки целиков с помощью подземных выработок, причем в любое время года.
Способ поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема расположения подземных выработок и свай в плане охраняемого объекта (на примере взлетно-посадочной полосы аэродрома); на фиг.2 - схема расположения подземных выработок, свай и охраняемого объекта в поперечном профиле; на фиг.3 - продольный разрез заложенного вскрышными породами отработанного пространства под полосой аэродрома; фиг.4 - расчетная схема определения объемов бурения наклонных скважин.
Способ выемки руд из целиков осуществляется следующим образом.
Отработку целика руды 1, залегающего под объектом 2, начинают с бурения наклонных скважин 3, располагаемых вдоль охраняемого объекта 2 по обе его стороны (фиг.1). Далее в скважинах 3 формируют сваи 4 путем заливки твердеющим раствором, например бетоном, с одновременной установкой по их центру армирующих элементов, например сердечников из железных труб 5 (фиг.2). С борта отработанного карьера 6 проходят штольни 7 до полного вскрытия целика 1, и его отработку ведут встречными забоями 8 при поперечных закладках комбайнами 9. В процессе выемки целика и по мере перемещения фронта работ производят закладку выработанного пространства вскрышными породами 10 с укладкой на их поверхности слоя твердеющего покрытия 11 (фиг.3). В окончательном виде пространство, образовавшееся после выемки рудного целика под объектом 2, закладывается пустыми породами 10, покрытыми твердеющим слоем 11, например цементно-щебеночным.
Техническая сущность и преимущества нового технического решения раскрыты на примере выемки драгоценных алмазосодержащих руд, оставленных за контуром карьера в зоне расположения ответственных объектов, например аэродромов. Необходимость выемки данных целиков вызвана в связи с пополнением минерально-сырьевых запасов алмазосодержащих руд на освоенных кимберлитовых полях.
Пример конкретной реализации способа.
Исходные данные для расчетов приняты следующие:
- мощность покрывающих пород, H=25 м;
- средняя мощность россыпи, h=2,5 м;
- средняя ширина целика Ш=250 м;
- длина отрабатываемого целика L=500 м;
- объемный вес руды q=2,4 т/м3;
- ширина взлетно-посадочной полосы m=50 м;
- крепость пород по шкале проф. Протодьяконова f=6-8;
Расчеты выполнены в следующей последовательности:
1. Объемы выемки кимберлитвых руд из целиков Q определяются по формуле, 
2. Суммарные объемы работ по бурению наклонных скважин Σ1 устанавливаются согласно расчетной схеме. Расчетная схема определения объемов бурения наклонных скважин приведена на фиг.4.
На чертеже (см. фиг.4) приняты следующие обозначения:
m - ширина взлетно-посадочной полосы в метрах;
l - длина наклонной скважины, м;
в - глубина заложения скважины, м;
α - направления бурения скважин к вертикали, в град;
а - расстояние от края взлетно-посадочной полосы до устья скважины, м;
с - расстояние между скважинами, м (см. фиг.3).
Для бурения наклонных скважин целесообразно использовать станки типа СБШ-250 с диаметром долота D=270 мм, глубиной бурения до 55 м и направлением бурения к вертикали в пределах α=0÷30°.
Глубина заложения скважины (см. фиг.4) определяется из следующего математического выражения:
Принимая a=10 м, получим:
Объемы буровых работ составят:
где nскв - количество наклонных скважнин, забуриваемых по обе стороны полосы разноса, шт.
где (с) в расчетах принят равным 5 м.
Объемы бетонных работ по заливке скважин, ΣVc:
где Vc - объем одной наклонной скважины, м3
Расход жизненных труб диаметром 5 см для сердечников свай, ΣLтр:
где Lтр - длина трубы в одной наклонной скважине, Lтр=55 м
ΣLтр=55*200=1100 м = 11 км.
Расчет объемов работ по заходке выработанного пространства:
В целях оценки эффективности выемки руд из целиков по заявляемому решению выполнен сравнительный анализ между открытым (традиционным) и подземным (рекомендуемым) способами выемки целиков.
Так при открытом варианте отработки целиков потребовалось бы удаление вскрышных пород в объеме Vв:
где Кв - коэффициент вскрыши, равный H/h=4,3 м3/м3
Расчетная формула определения ожидаемой экономической эффективности Э имеет следующий вид:
где Зос - затраты, производимые при открытом варианте выемки целиков, млн. долл.;
Зпс - затраты, производимые при подземном варианте выемки целиков, млн. долл.
где Звр - затраты на вскрышные работы, млн. долл.;
Зц - затраты на добычные работы, млн. долл.;
Уаэ - убытки от сноса взлетно-посадочной полосы аэродрома, млн. долл.;
Заэ - затраты на строительство новой взлетно-посадочной полосы, млн. долл.
где Спв - стоимость проходки одного погонного метра подземной выработки, долл.;
ΣLпв - суммарный объем проходки подземных выработок, м3;
Сзакл - стоимость 1 м3 закладочных работ, долл./м3;
Vзакл - суммарный объем закладочных работ, м3;
Результаты расчета технико-экономических показателей сравниваемых вариантов выемки целиков с использованием стоимостных показателей горнодобывающих предприятий, действующих в условиях криолитозоны Севера, приведены в таблице. При этом ожидаемая прибыль рассчитана по формуле:
где Спр - продуктивность одной тонны алмазосодержащей руды, долл./т;
ΣЗ - суммарные затраты на выемку целиков, долл.
Из таблицы следует, что прибыль предприятия в зависимости от продуктивности 1 т алмазосодержащей руды с учетом затрат на выемку целиков составила 964,5 млн. долл., которая будет возрастать с увеличением качества добываемого алмазного сырья, в т.ч. с учетом выработки руд в объемах целиков под охраняемыми объектами.
| Таблица | |||
| Технико-экономические показатели сравниваемых вариантов выемки целиков | |||
| № п/п | Наименование показателей | Варианты технологий выемки | |
| Традиционный способ | Рекомендуемый способ | ||
| 1 | Объемы выемки алмазосодержащих руд из целиков, млн.т | 10,3 | 10,3 |
| 2 | Сечение подземной выработки, м3 | - | 42,0 |
| 3 | Объемы проходки подземных выработок, м | - | 558 |
| 4 | Стоимость проходки 1 п.м. подземных выработок, долл./м3 | - | 163,03* |
| 5 | Затраты на проходку подземных выработок, млн. долл. | - | 3,8 |
| 6 | Затраты на выемку целиков подземным способом, млн. долл. | - | 44,1 |
| 7 | Объемы удаляемых вскрышных пород для выемки целиков руды, млн. м3 | 31,5 | - |
| 8 | Себестоимость выемки 1 м3 вскрышных пород, долл./м3 | 3,41** | - |
| 9 | Затраты на выемку вскрышных пород, млн. долл. | 107,4 | - |
| 10 | Затраты на засыпку отработанного пространства вскрышными породами, млн. долл. | 122,1 | - |
| 11 | Затраты на выемку целика открытым способом, млн. долл. | 14,7 | - |
| 12 | Стоимость полосы аэродрома, млн. долл. | 50,0 | 50,0 |
| 13 | Суммарные убытки от сноса полосы аэродрома и затраты на строительство новой полосы, млн. долл. | 100,0 | - |
| 14 | Затраты на закладочные работы, млн. долл. | - | 17,6 |
| 15 | Всего затрат по вариантам выемки целика, млн. долл. | 344,2 | 65,5 |
| 16 | Снижение затрат при рекомендуемом варианте выемки целика, млн. долл. | - | 278,7 |
| 17 | Прибыль предприятия от выемки целиков подземным способом | - | 964,5 |
| Примечание: | |||
| * стоимостные данные взяты из сметы руддвора подземного рудника «Интернациональный» АК «АЛРОСА» (г. Мирный) | |||
| ** средняя себестоимость разработки 1 м3 вскрышных пород по АК «АЛРОСА» |
Способ выемки алмазосодержащих руд из целиков, включающий подземную проходку с открытых выработанных пространств карьеров, закладку выработанного пространства при выемке целиков техникой подземных работ, отличающийся тем, что для укрепления массива горных пород вдоль площади укрепляемого объекта бурят наклонные скважины, в них размещают армирующие элементы, которые закрепляют заливкой твердеющего раствора, после чего производят выемку целиков при одновременной закладке выработанного подземного пространства пустыми породами с укладкой на их поверхности упрочняющего покрытия на основе твердеющего раствора.
