Способ доработки глубоких кимберлитовых карьеров
Владельцы патента RU 2661769:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Восточный федеральный университет имени М.К.Аммосова" (RU)
Изобретение относится к горной промышленности и создано применительно к доработке глубоких кимберлитовых карьеров в экстремальных климатических условиях криолитозоны Севера. Техническим результатом является повышение эффективности доработки кимберлитовых карьеров в условиях перехода на освоение запасов месторождений подземным способом. Способ включает сооружение высокого вертикального уступа по контуру трубки с предварительным щелеобразованием, укрепление приконтактного породного массива тросовыми стяжками из подземных выработок через скважины, отгрузку алмазосодержащей руды с вывозкой автомобильным транспортом через спиралевидные стволы на обогатительную фабрику. Причем спиралевидные стволы в зоне доработки проходят с борта карьера, при этом для отработки бортовых целиков на определенном расстоянии от вертикального откоса сооружают кольцевую горизонтальную выработку, откос укрепляют тросовыми стяжками, причем стяжки располагают вдоль и поперек вертикального уступа, помещая призму возможного обрушения в тросовую корзину, закрепленную в кольцевой выработке тросами к швеллерам, а транспортирование руды производят как через съезды, пройденные по рудному телу, так и спиралевидные выработки с временным складированием части руды на рабочей площадке в период доработки рудных съездов. 1 табл., 4 ил.
Способ доработки глубоких кимберлитовых карьеров
Изобретение относится к горной промышленности и создано применительно к доработке глубоких кимберлитовых карьеров в экстремальных климатических условиях криолитозоны Севера.
Известен способ доработки кимберлитовых карьеров, включающий формирование высокого вертикального уступа, установку на его берме безопасности металлической предохранительной стенки, отработку глубинного участка кимберлитовой трубки с использованием электрических экскавационных машин фрезерного типа, доставку горной массы со дна карьера на поверхность с помощью башенных кранов или аэростатических подъемников, обеспечивающих полноту выемки полезного ископаемого при открытом способе (см. Точилин В.Н. Ресурсосберегающие технологии разработки кимберлитовых трубок малых размеров / В сб: Актуальные проблемы разработки кимберлитовых месторождений: современное состояние и перспективы решения. Матер. межд. научн.-практ. конф. (г.Мирный, 2001). - М: Изд. дом "Руда и металлы", 2002. - С. 346-351).
Недостатками способа являются снижение безопасности выполнения технологических операций при ведении горных работ на подошвах вертикальных уступов, ограниченная область его применения ввиду незначительной высоты подъема башенных подъемников, низкая производительность вертикальной схемы подъема горной массы и дополнительные затраты на монтаже и демонтаже оборудования подъемников.
Известен также способ выемки полезного ископаемого под бортами карьера, включающий вскрытие и извлечение его отдельными блоками, не нарушая устойчивости борта, путем последующей пригрузки нижней части подработанного борта вскрышными породами до компенсации его ослабления (см. SU №926284, кл. Е21С41/00, опубл. 07.05.82).
Недостатками известного решения являются необходимость дополнительной переэкскавации пород, ограниченная область применения преимущественно для горизонтальных пластообразных месторождений и значительные потери полезного ископаемого ввиду оставления неразрабатываемых предохранительных целиков.
Известен способ выемки прибортовых целиков полезного ископаемого при доработке карьеров, включающий формирование устойчивого вертикального откоса борта образованием щели по контакту руды с породой, обуриванием целиков с поверхности, отбойку их в выработанное пространство карьера, укрепление приконтактного породного массива и отгрузку отбитой руды экскаваторами в автосамосвалы с вывозкой ее по карьерным дорогам (см. Рыльникова М.В. Комплексное освоение рудных месторождений комбинированным способом.- Магнитогорск, Изд. МГГУ, 1998.- С. 111-120).
Недостатками известного способа являются низкая эффективность, обусловленная значительной сложностью и трудоемкостью выполнения работ по укреплению приконтактного породного массива и повышенная опасность работе горнотранспортного оборудования, вызванная возможным вывалом горных пород из-за растепления трещиноватого приконтактного массива многолетнемерзлых пород.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ доработки глубоких кимберлитовых карьеров, включающий сооружение высокого вертикального уступа по контуру трубки с предварительным щелеобразованием, укрепление приконтактного породного массива, установку улавливающих полок на вертикальном откосе и отгрузку руды с вывозкой по временным съездам, отсыпанным из пустых пород (см. Власов В.М., Андросов А.Д. Технологии открытой добычи алмаза в криолитозоне - Якутск: Изд. ЯНЦ СО РАН. 2007. С. 202-204, 213-218).
Известное решение характеризуется низкой эффективностью, вызванной значительными объемами выполнения вскрышных работ по выемке целиков при доработке карьеров, дополнительными затратами на сооружение спиральных съездов из пустых пород и снижением безопасности ведения горных работ под высокими вертикальными откосами.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности доработки кимберлитовых карьеров в условиях перехода на освоение запасов месторождений подземным способом.
Технический эффект, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в увеличении полноты извлечения алмазосодержащих руд и обеспечении безопасности работ под высокими вертикальными откосами при применении существующего горнотранспортного оборудования и без дополнительных капитальных вложений.
Для решения поставленной задачи способ доработки глубоких кимберлитовых карьеров включает проходку с борта карьера в зоне доработки спиралевидных стволов, при этом для отработки бортовых целиков на определенном расстоянии от вертикального откоса сооружают кольцевую горизонтальную выработку, откос укрепляют тросовыми стяжками, причем стяжки располагают вдоль и поперек вертикального уступа, помещая призму возможного обрушения в тросовую корзину, закрепленную в кольцевой выработке тросами к швеллерам, а транспортирование руды производят как через съезды, пройденные по рудному телу, так и спиралевидные выработки с временным складированием части руды на рабочей площадке в период доработки рудных съездов.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
В новом способе новыми признаками в сравнении с известными решениями являются:
• использование спиралевидных подземных выработок, пройденных с борта карьера на глубину его дорабатываемого участка;
• создание тросовой стяжки по откосу и верхней площадке вертикального уступа, помещая призму возможного обрушения в тросовую корзину;
• сооружение кольцевой горизонтальной выработки с размещением в ней швеллеров для закрепления тросовой стяжки;
• создание временного склада руды на рабочей площадке в период доработки рудных съездов.
Все указанные новые признаки исключают недостатки существующих способов доработки глубоких кимберлитовых карьеров и обеспечивают следующие усиленные новые положительные свойства:
• использование спиралевидных подземных выработок в зоне доработки исключает производство дополнительных объемов вскрыши для выемки бортовых целиков руды;
• создание тросовой стяжки по откосу и верхней площадке вертикального уступа и последующее формирование тросовой корзины обеспечивают безопасные условия ведения работ под вертикальными откосами;
• временное складирование руды на рабочей площадке уступа в период доработки рудных съездов обеспечивает полноту выемки алмазосодержащих руд в процессе завершения горных работ.
Заявленное решение иллюстрируется чертежами. На фигуре 1 показана схема размещения спиралевидных подземных выработок в зоне доработки карьера на поперечном разрезе; на фигуре 2 - план расположения спиралевидных подземных и открытых выработок; на фигуре 3 - тросовая стяжка для удержания призмы возможного обрушения в устойчивом состоянии; на фигуре 4 - последовательные положения фронта горных работ в период доработки карьера.
Способ осуществляется следующим образом.
Карьер 1 отработан до проектной глубины, характеризующейся положением 2. При этом по контуру рудного тела 3 остаются целики руды 4 (см. фиг. 1). Для выемки данных целиков с отм. 0 борта карьера проходят наклонные спиралевидные подземные выработки 5 на глубину его дорабатываемого участка (отм. –60 м). Затем по контуру рудного тела 3 проходят спиралевидные съезды 6 до отм. –30 м (см. фиг. 2). По мере формирования рабочих площадок 7 и 8 соответственно на горизонтах -15 м, -30 м и перемещения фронта работ на достаточное расстояние поперек рудного тела 3 (отм -30 ÷ -60 м) проходят глубокую траншею 9.
На отм. -60 м производят стыковку глубокой траншеи 9 со спиралевидными подземными выработками 5. Таким образом, от дна карьера 2 на дневную поверхность формируют новую транспортную схему через подземные выработки 5 и существующие спиральные рудные съезды 6.
Кроме того, для обеспечения безопасности работ под вертикальным уступом 10 и поддержания призмы возможного обрушения 11 в устойчивом состоянии, ее укрепляют тросовыми стяжками 12, уложенными в скважинах и закрепленных швеллерами 13 в кольцевой подземной выработке 14. Причем подземную выработку располагают на некотором расстоянии от вертикального откоса уступа 10 (см. фиг. 3).
Горные работы в пространстве карьера при его доработке развивают в следующей последовательности.
Вначале отрабатывают горизонты -15 и -30 м. Затем приступают к разработке горизонтов -45 и -60 м. В процессе ликвидации рудных целиков 4 и съездов 6 формируют временный склад руды 15 дна карьера 2 (см. фиг. 4). После формирования новой транспортной схемы через подземные выработки 5 приступают к доработке бортовых целиков руды 4 и ликвидации рудных съездов 6. Доработка карьера осуществляется с применением существующего горнотранспортного оборудования без дополнительных капитальных вложений, т.е. экскаваторно-автомобильными комплексами.
Таким образом, разработанный способ обеспечивает эффективную и безопасную доработку глубоких кимберлитовых карьеров в условиях перехода на освоение запасов месторождений подземным способом.
Пример конкретной реализации способа
Исходные данные для расчетов приняты следующие:
- конечная глубина карьера, Нк= 330м;
- глубина дорабатываемого участка, Нд = 60м;
- диаметр кимберлитовой трубки, d = 200м;
- высота рабочего уступа, hу = 15м;
- генеральный угол откоса борта карьера, ɤ= 50°;
- себестоимость разработки 1м3 горных пород открытым способом, Со = 3,41 долл/м3;
- себестоимость разработки 1м3 горных пород подземным способом, Сп = 10,2 долл/м3;
- уклон спиральных съездов по борту карьера, β = 4°;
- угол откоса рабочего уступа, α= 75°;
- ширина спирального съезда, Шс = 20м;
- площадь поперечного сечения наклонного ствола для перемещения автосамосвалов, Sп = 134м2;
- уклон наклонного ствола, ∆ = 4°.
Расчеты выполнены в следующей последовательности:
1. Объемы руды, оставленные в бортах карьера как технологические потери - Vп
Vп = с * h2у * ctgβ,
где Шс - ширина спирального съезда, м;
hу - высота рабочего уступа, м;
β - уклон спирального съезда, м.
т.е. Vп = 4 * 0,5 * 152 * ctg4° +152 *20 * ctg 4° + 2 * 152 * 20 * ctg4° + 3* 152 *20 *ctg4° + 4* 152 *20 *ctg4° = 6435 + 65250 + 130500 + 195750 +261000 = 658935 м3
2. Объемы производства дополнительной вскрыши для выемки целиков - Vв
а) объемы вскрыши при отработке карьера на глубину 300 м - V1
V1 = (S1 + S2) * 0,5 * Нк1,
где Нк1 - глубина карьера, м;
S1,S2 - соответственно, площадь дна карьера и площадь по дневной поверхности, м2;
S1 = 
2 = 3,14 * 1002 = 31400 м2 = 31,4 тыс.м3
S2 = 2= 3,14 * (R + H * ctg
) = 3,14 * ( 100 + 300 * ctg50° ) = 400111 м2 = 400, 1 тыс.м2
V1 =
* Hк1 = 0,5 * (31400 + 400111) * 300 = 64726650 м3 = 64,7 млн.м3
б) объемы вскрыши при отработке карьера на глубину 360 м - V2
V2 = ( S1 + S2 ) * 0,5 * Нк2,
где Нк2- глубина карьера второго этапа, м;
S1 = 2= 31400 м2
S2= 
* ( R+ Hк2 * ctg) )2 = 3,14 * (100+360 * 0,839)2 = 507436 м2 = 507,4 тыс.м2
V2= * Hк2 = 0,5 (31400 + 507436) * 360 = 96990480 м3 = 96,99 млн.м3
Vв= V2 - V1 = 96,99 - 64,7 = 32,29 млн.м3
То есть, для выемки бортовых целиков руды традиционным способом (с разносом бортов карьера) потребуется вынуть 32,29 млн. м3 вскрышных пород.
Следовательно, затраты на производство вскрышных работ для выемки целиков руды при традиционной технологии З1 составят,
З1 = Vв * Со ,
где Со – себестоимость разработки 1м3 горных пород открытым способом, долл/м3
З1 = 32,29 * 3,41 = 110,1 млн.долл.
3. Рекомендуемая технология не требует производства вскрышных работ. Затраты предусматриваются только на проходку наклонных спиралевидных стволов, пройденных с борта карьера уклоном 4° на глубину 60 м.
а) длина наклонного ствола рассчитывается по формуле,
Lств = 
= 
= 860 м,
где Lств- длина наклонного ствола, м.
б) объемы работ по проходке наклонного ствола будут равны,
Vств = Sств * Lств = 120 * 860 = 103200 м3 = 103,2 тыс.м3,
где Sств- площадь поперечного сечения ствола, м2,
Sств = 120м2
Тогда затраты на проходку ствола З2 при рекомендуемой технологии составят,
З2 = Vств* Сп,
где Сп - себестоимость разработки 1м3 горных пород под подземным способом, долл.м3
З2 = 103200 * 10,2 = 1,06 млн.долл.
Экономический эффект рассчитан как разность затрат при традиционной и рекомендуемой технологиях выемки целиков, т.е
Э = З1 - З2,
где Э - экономический эффект от реализации нового технического решения, млн.долл.
Э= 110,1-1,06 = 109,04 млн.долл.
В таблице приведены ожидаемые технико-экономические показатели от внедрения новой технологии доработки карьера. Из полученных результатов следует, что разработанная новая технология доработки карьеров с применением подземных выработок обеспечивает дополнительную прибыль алмазодобывающему предприятию в размере 109,4 млн.долл. При этом будут созданы наилучшие условия отработки глубоких горизонтов кимберлитовых трубок в условиях перехода от открытых работ к подземным. Кроме того, разработку следует рекомендовать для внедрения на действующих предприятиях в условиях убывания минерально-сырьевых запасов алмазосодержащих руд.
Таблица
Ожидаемые технико-экономические показатели от внедрения новой технологии доработки карьера
| №№ n/n |
Наименование показателей | Обозначения | Технологии | |
| Традиционная | Рекомендуемая | |||
| 1 | Конечная глубина карьера, м | Нк | 300,0 | 360,0 |
| В т.ч. дорабатываемая глубина, м | Нк2 - Нк1 | 60,0 | 60,0 | |
| 2 | Диаметр кимберлитовой трубы, м | d | 200,0 | 200,0 |
| 3 | Объемы целиков руды в бортах карьера, тыс.м3 | Vп | 658,9 | 658,9 |
| 4 | Объемы производства вскрышных работ для выемки целиков руды, млн.м3 | Vв | 32,29 | - |
| 5 | Объемы работ по проходке наклонных стволов, тыс.м3 | Vств | - | 103,2 |
| 6 | Себестоимость разработки 1м3 горных пород открытым способом, долл/м3 | Со | 3,41 | - |
| 7 | Себестоимость разработки 1м3 горных пород подземным способом, долл/м3 | Сп | - | 10,2 |
| 8 | Затраты на выполнение вскрышных работ, млн.долл | З1 | 110,1 | - |
| 9 | Затраты на проходку наклонных спиралевидных стволов в зоне доработки, млн.долл | З2 | - | 1,06 |
| 10 | Снижение затрат на выемку бортовых целиков руды, млн.долл | Э | - | 109,04 |
| Примечание: стоимостные данные взяты из фактических показателей разработки 1м3 горных пород на предприятиях АК "АЛРОСА" |
Способ доработки глубоких кимберлитовых карьеров, включающий сооружение высокого вертикального уступа по контуру трубки с предварительным щелеобразованием, укрепление приконтактного породного массива тросовыми стяжками из подземных выработок через скважины, отгрузку алмазосодержащей руды с вывозкой автомобильным транспортом через спиралевидные стволы на обогатительную фабрику, отличающийся тем, что спиралевидные стволы в зоне доработки проходят с борта карьера, при этом для отработки бортовых целиков на определенном расстоянии от вертикального откоса сооружают кольцевую горизонтальную выработку, откос укрепляют тросовыми стяжками, причем стяжки располагают вдоль и поперек вертикального уступа, помещая призму возможного обрушения в тросовую корзину, закрепленную в кольцевой выработке тросами к швеллерам, а транспортирование руды производят как через съезды, пройденные по рудному телу, так и спиралевидные выработки с временным складированием части руды на рабочей площадке в период доработки рудных съездов.
