Комбинированная физико-техническая геотехнология

Комбинированная физико-техническая геотехнология - раздел горных наук, обеспечивающий исследованиями технологии добычи твердого минерального сырья, сочетающие чаще элементы открытой и подземной геотехнологий или открытой физико-технической и физико-химической геотехнологий, увязанные в единый комплекс для повышения экономической эффективности добычи полезного ископаемого из минеральных скоплений глубокого и протяженного залегания.
В части физико-технических геотехнологий горные науки о комбинированных геотехнологиях - это совокупность знаний о совмещении в пространстве и во времени открытого и подземного способов разработки месторождений, закономерностях поведения системы «карьер-подземные выработки» в массиве горных пород, технических, экономических, экологических и организационных взаимосвязях технологических процессов при добыче полезных ископаемых.
Развитие этого раздела горных наук связано с тем, что производство горных работ на больших глубинах сопровождается резким увеличением объемов вскрытия и существенным усложнением схем вскрытия, ухудшением геомеханической обстановки и усложнением проветривания карьеров. Это потребовало глубокого научного, технологического и экологического обоснования границ между открытыми и подземными работами, поиска их рационального совмещения и порядка ведения, обеспечивающих наиболее эффективную отработку месторождения в целом.
Одним из условий эффективного комбинированного освоения месторождения является рациональное использование выработанных пространств для технологических нужд и в интересах улучшения экологической обстановки.
Объектами изучения комбинированной физико-технической геотехнологии являются открытые и подземные горные сооружения, создаваемые для добычи полезных ископаемых, предметом изучения - системы комбинированной разработки месторождений полезных ископаемых, геомеханическая ситуация при совмещении открытого и подземного способов разработки месторождения, экологические последствия горных работ и меры по охране недр и окружающей среды.
Главная задача этого раздела горных наук состоит в выработке научных рекомендаций, обеспечивающих надежность, безопасность и эффективность реализации технических и технологических решений по извлечению полезных ископаемых из недр на основе установленных объективных закономерностей и взаимосвязей между параметрами системы «карьер-подземные выработки», последовательностью формирования сооружения, технологическими процессами горных работ, экологической безопасностью и экономической эффективностью извлечения полезных ископаемых из недр.
В мировой и отечественной практике исследования, связанные с комбинированными геотехнологиями, начались в 1950-х годах, что совпало с началом их применения на практике, когда стали осуществлять перевод действующих подземных рудников на открытый способ разработки. Причиной тому послужило техническое перевооружение открытых работ, что способствовало резкому снижению себестоимости добычи полезного ископаемого данным способом. В связи со сложными условиями ведения открытых работ в зоне, нарушенной подземными работами, большое внимание уделялось вопросам безопасности и определению параметров открытых работ, как по технологическим, так и по геомеханическим факторам. В результате исследований была создана достаточно стройная методика расчета безопасных параметров открытых работ в зоне влияния подземных разработок, прошедшая успешную проверку в условиях Норильского, Хайдарканского, Лениногорского, Зыряновского и других комбинатов.
В этот же период проводится ряд исследований по изысканию рациональных вариантов вскрытия и отработки рудных месторождений.
Период 70-х годов прошлого века характеризуется интенсивными изысканиями в области повышения эффективности открытых и подземных работ при их совместном ведении за счет оптимального решения вопросов вскрытия, разработки и взаимопроникновения технических процессов, что обеспечивает возможность использования преимуществ каждого отдельного способа. Следует отметить достижения в области геомеханических исследований, результаты которых позволяют обосновывать параметры технологий с высокой степенью их надежности.
В результате выполненных исследований был разработан комплексный открыто-подземный способ добычи, заключающийся в разработке месторождения по глубине тремя ярусами: первый отрабатывается открытыми работами до их проектной глубины; второй (открыто-подземный ярус) - одним высоким уступом без разноса бортов карьера с использованием карьерной (и подземной) буровой техники и выдачей руды через подземные выработки; третий - подземными работами этажно-камерной системой или системами с обрушением. Образующееся при этом единое выработанное пространство карьера, открытоподземного яруса и подземных горных работ используется для размещения вскрышных пород, которые, создавая пригрузку бортов выработанного пространства, повышают их устойчивость. При трехъярусном открыто-подземном способе наряду с повышением технико-экономических показателей добычи полезных ископаемых и повышением полноты их извлечения из недр достигается значительный экологический эффект за счет существенного сокращения масштабов изъятия земель под внешние отвалы.
Характерной особенностью открыто-подземного способа является наличие карьерного и подземного очистных пространств, находящихся в непосредственной близости. Совмещение открытых и подземных работ выдвигает на первый план геомеханические аспекты выбора технологических схем и параметров разработки. Это обусловлено необходимостью совместных оценок состояния и проведения как подземных выработок концентрационного и добычного горизонтов, так и конструктивных элементов соответствующих бортов карьера. Наличие карьерной выемки может в значительной степени усложнить геомеханическую обстановку в зоне подземных работ, увеличивая концентрацию напряжений в элементах системы подземной разработки. С другой стороны, создание обширных выработанных пространств под землей, особенно при использовании систем с обрушением, ведет к разрушению и разупрочнению налегающего массива горных пород, ухудшая состояние бортов карьера и разделительного целика.
Прогнозирование поведения подрабатываемых массивов горных пород, оценка устойчивости обнажений, определение допустимых технологических параметров разработки в этом случае могут базироваться только на глубоком изучении геомеханических процессов, протекающих в зоне взаимного влияния подземных и открытых работ.
К первоочередным задачам следует отнести оценку устойчивости уступа, открыто-подземного яруса, бортов карьера, состояния подземных выработок с учетом выбранной системы разработки, а также состояния целика, разделяющего открытые и подземные работы.
На характер и интенсивность механических процессов, протекающих в массиве пород в условиях открыто-подземной разработки, влияет большое число естественных и техногенных факторов. К первым можно отнести исходное напряженное состояние, строение и структуру массива, а также гидрогеологические факторы, ко вторым - проведение достаточно мощных взрывов и работу погрузочно-доставочного оборудования. Естественно, важную роль играют геометрические параметры подземных и открытых выработок, их взаимное расположение, порядок отработки. Перечисленные факторы составляют тот обязательный набор, который должен быть учтен при анализе состояния и поведения элементов открыто-подземного способа разработки.
Общая устойчивость борта определяется: литологическим состоянием пород, их прочностью, характером и степенью трещиноватости; направлением падения слоев или плоскостей рассланцованности; тектоническими нарушениями, простирание которых близко к простиранию борта; материалом, заполняющим тектонические разломы и нарушения; гидростатическим давлением, распределенным по поверхности скольжения.
Устойчивость отдельных уступов, в частности уступа открыто-подземного яруса, зависит от тектонической нарушенности данного участка; интенсивности трещиноватости пород, склонности пород к выветриванию; ориентировки относительно простирания откоса крупных тектонических трещин, фильтрационных деформаций, связанных с просачиванием воды на откосы уступов.
Все перечисленные факторы в подавляющем большинстве случаев оказывают в той или иной степени отрицательное влияние на устойчивость обнажений открытой горной выработки.
Предпосылкой успешного решения задач обеспечения эффективности и безопасности горных работ является знание закономерностей распределения напряжений, деформаций и смещений, формирующихся в массиве в процессе эксплуатации месторождения с использованием сложной геомеханической системы «карьер - подземный рудник».
Очевидно, что степень необходимой детализации параметров напряженного состояния массива напрямую связана с возникающими горнотехническими задачами и может варьироваться в широких пределах. Это предопределяет использование того или иного метода из большого арсенала разработанных к настоящему моменту. Инженерные методы, отражающие, как правило, какую-либо одну характерную черту процесса деформирования, возможно главную, позволяют легко и быстро получить приближенные оценки состояния массива, в то время как методы механики сплошной среды позволяют изучить тонкости деформирования и разрушения, происходящие в массиве, с учетом его строения и развития в нем этих процессов. По-видимому, самым мощным исследовательским аппаратом такого плана в настоящее время является метод конечных элементов. При этом не следует сбрасывать со счетов и другие численные методы, а также аналитические решения. Следует, однако, иметь в виду, что характерной особенностью рассматриваемой проблемы является взаимное влияние карьера и подземных выработок. Это означает, что исходные напряжения в массиве невелики в сравнении с прочностными показателями породы, но сопоставимы с аналогичными величинами по поверхностям нарушений в массиве горных пород. Следовательно, значительную роль в поведении массива горных пород должны играть слоистость, сланцеватость, трещиноватость и иные нарушения однородности и изотропии прочностных свойств. Это предопределяет использование различных нелинейных моделей поведения массива, в частности, пластической, трещинно-блочной и др. Линейно-упругая модель также может быть полезной для оценки начальных зон пластичности и разрушения.
Важным моментом при исследовании рассматриваемой проблемы и определении параметров технологии является то, что в оценке устойчивости подземных обнажений, бортов и уступов открытых выработок определяющую роль играет распределение напряжений в массиве с выделением объемных зон разрушения в окрестности выработки и наличие призм скольжения с локализацией разрушения на некоторой заранее неизвестной поверхности. При этом не менее важны развитость трещиноватости массива, обводненность пород и их реологические свойства. Исследования в этих направлениях явились методической базой обоснования параметров открытого и открыто-подземного ярусов, что обеспечивает рациональные объемы вскрышных работ в сочетании с гарантированной устойчивостью бортов карьера и уступов открыто-подземного яруса.
Проведенные исследования и проектные проработки позволили установить, что преимущественной областью применения комплексного открыто-подземного способа являются протяженные крутопадающие месторождения с однородным характером оруднения. Основными факторами, определяющими конкретную технологическую схему, являются мощность залежи и устойчивость массива. В регионах с ценными сельскохозяйственными угодьями эффективность открыто-подземного способа обеспечивается за счет сокращения площадей, занимаемых внешними отвалами. В регионах с невысокой ценностью земель основным фактором, определяющим эффективность новой технологии, является снижение затрат на буровзрывные работы, отвалообразование и транспорт горной массы, а также повышение интенсивности эксплуатации месторождения за счет специально обоснованного сочетания элементов открытого и подземного способов добычи.
Оценку возможной интенсивности добычи руды из открыто-подземного яруса целесообразно осуществлять путем определения возможной скорости подвигания эксплуатационного фронта работ по условиям буровзрывных работ, выпуска руды и внутреннего отвалообразования.
Факторы, влияющие на возможную интенсивность добычи руд из открытоподземного яруса, могут быть условно разделены на две группы: первая - факторы, определяющие площадь сечения выработанного пространства, вторая -факторы, обусловливающие скорость подвигания фронта работ. Вместе с тем две указанные составляющие являются взаимозависимыми, поскольку размер добычного фронта обычно связан обратно пропорциональной зависимостью со скоростью его подвигания.
Среди горно-геологических факторов следует выделить мощность рудного тела и физико-механические характеристики руд и вмещающих пород, среди технологических факторов наиболее важны: применяемая технологическая схема; высота открыто-подземного яруса; используемые комплексы оборудования.
Мощность залежи является одним из основных факторов, определяющих ширину фронта горных работ и площадь сечения выработанного пространства. С увеличением мощности залежи происходит расширение фронта, что позволяет увеличить число единиц одновременно действующего оборудования. Вместе с тем из-за уменьшения коэффициента использования средств механизации в течение смены скорость подвигания фронта с ростом мощности залежи, как правило, уменьшается. Кроме того, мощность залежи является важным фактором при выборе технического варианта комплексного открыто-подземного способа.
Угол падения залежи влияет на выбор варианта комплексного открытоподземного способа разработки. При углах падения, близких к 90°, могут быть применены варианты, предусматривающие свободный выпуск руды и придание бортам выработанного пространства безопасных углов откоса. При углах падения порядка 19° и мощности залежи менее 100 м наиболее целесообразен вариант, предусматривающий полное заполнение выработанного пространства.
Физико-механические характеристики массива определяют главным образом безопасные углы откоса бортов выработанного пространства и характер их изменения с высотой яруса, обусловливая тем самым площадь сечения выработанного пространства и ширину фронта работ. Кроме того, физико-механические характеристики оказывают влияние на сменную производительность бурового и погрузочного оборудования через механическую скорость бурения и процент выхода негабарита. Таким образом, данный фактор определяет и скорость подвигания фронта работ.
Высота открыто-подземного яруса наряду с мощностью залежи определяет как площадь сечения выработанного пространства, так и скорость подвигания добычного фронта. С ростом высоты происходит увеличение запасов руды, приходящихся на один пункт выпуска. При вариантах, предусматривающих свободный выпуск руды, с ростом высоты яруса происходит уменьшение дна выработанного пространства, что ограничивает возможное число пунктов выпуска в транспортном орте. С другой стороны, высота открыто-подземного яруса тесно связана с глубиной взрывных скважин и, таким образом, оказывает влияние как на сменную производительность бурового оборудования, так и на процент выхода негабарита.
Технологический вариант комплексного открыто-подземного способа в значительной мере определяет высоту открыто-подземного яруса и способ выпуска рудной массы. При вариантах, предусматривающих обеспечение устойчивости бортов выработанного пространства за счет придания им безопасных углов откоса, используется площадный выпуск руды. При этом общая производительность выпуска возрастает при увеличении числа транспортных ортов, находящихся в одновременной эксплуатации в пределах навала отбитой руды. При вариантах, предусматривающих полное заполнение выработанного пространства горной массой, может быть реализован торцовый выпуск руды. Увеличение его производительности при заданной мощности залежи может осуществляться только путем увеличения числа погрузочно-разгрузочных штреков за счет сокращения расстояния между ними.
Применяемые комплексы оборудования оказывают влияние на скорость подвигания фронта горных работ, поскольку единичная мощность средств механизации в значительной мере влияет на производительность соответствующих процессов.
Скорость подвигания рабочего борта карьера является ограничивающим фактором в технологических схемах, предусматривающих одновременное ведение работ в карьере и открыто-подземном ярусе.
По результатам исследований роли основных факторов, влияющих на эффективность и безопасность комбинированной геотехнологии, разработан ряд вариантов технологии отработки открыто-подземного яруса, а именно: с полным выпуском руды; с частичным магазинированием; с различным порядком формирования внутреннего отвала. Обоснованы параметры вариантов технологии.
В настоящее время доказано, что применение открыто-подземного способа в условиях мощных крутопадающих месторождений большой протяженности по сравнению с традиционной последовательной отработкой месторождения открытым, а затем подземным способом позволяет:
- снизить общие объемы вскрыши в контуре карьера благодаря отработке глубоких горизонтов одним высоким уступом без дополнительного разноса бортов;
- уменьшить ареал нарушения окружающей природной среды за счет сокращения объемов внешнего отвалообразования;
- повысить интенсивность отработки месторождения;
- в значительной мере компенсировать выбытие мощностей по добыче руды при отработке глубоких горизонтов карьера;
- использовать общие схемы вскрытия глубоких горизонтов карьеров и подземных рудников;
- обеспечить в целом более высокие технико-экономические показатели освоения месторождений и эффективное использование всех видов задалживаемых ресурсов.
Основными направлениями дальнейших исследований по совершенствованию и расширению области применения трехъярусного открыто-подземного способа разработки следует считать:
- совершенствование и изыскание новых технологических схем открытоподземной разработки;
- оптимизацию параметров буровзрывных работ в открыто-подземном ярусе;
- обоснование эффективных схем совместного вскрытия глубоких горизонтов карьеров и шахтных полей;
- обоснование параметров нового высокопроизводительного технологического оборудования для открыто-подземной добычи полезных ископаемых;
- совершенствование технологических схем внутреннего отвалообразования при разработке крутопадающих месторождений открыто-подземным способом;
- разработку методов оценки и прогнозирования напряженно-деформированного состояния массива при открыто-подземной добыче руд;
- разработку эффективных схем проветривания и водоотлива при наличии единого выработанного пространства.
Выполнение намеченного комплекса исследований явится необходимой теоретической базой для разработки научно-методических основ проектирования и эксплуатации месторождений открыто-подземным способом.

---