Государственное предприятие

Практическое значение работы состоит в установлении наилуч­ших вариантов вскрытия прибортовых запасов месторождения Мурунтау и оптимизации технологической схемы.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались автором на научно-практической конференции одаренных студентов и магистрантов на тему «Фан ва техника тараккиётида ёшлар» в г. Навои в 2010–2011 гг.
Автор выражает искреннюю благодарность и глубокую признательность научному руководителю – кандидату технических наук, доценту Меликулову А.Д. и заведующему кафедрой «Горное дело» Навоийского государственного горного института, кандидату технических наук, доценту Исмаилову А.С. за ценные рекомендации и оказанную практическую помощь при подготовке данной диссертационной работы.

1. ОСОБЕННОСТИ ОСВОЕНИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ И АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ СХЕМ ВСКРЫТИЯ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

1.1.Основные недостатки в теории и практике строительства глубоких карьеров

Вопросы проектирования и функционирования глубоких карьеров теоретически поставлены в 50-60 годах двадцатого века, когда были разработаны их первые классификации по глубине, в основу которых положена разница отметок дна карьера и земной поверхности [1]. В то время к глубоким карьерам относились карьеры, рабочие горизонты которых располагались на глубине 100÷150 м. Однако под влиянием технического прогресса понятие «глубокий карьер» претерпевало изменения. Уже в 80-х годах Академик РАН В.В. Ржевский к этой категории относил карьеры глубиной более 200 м. Тогда же им были сформулированы следующие характерные особенности таких карьеров:

- большая производственная мощность по руде (10-25 млн. т/год и более) и горной массе (50-60 млн. т/год и более);
- длительный срок существования карьера (обычно не менее 30 лет);
- резкое сокращение параметров рабочей зоны с увеличением глубины разработки;
- комбинированное вскрытие, в том числе с применением подземных выработок;
- одновременное применение различных технологий горных работ, а также видов и типов горного и транспортного оборудования.
Таким образом, понятие «глубокий карьер» не статично. За 40 лет глубина, позволяющая относить карьеры к глубоким, увеличилась с 60-80 до 250-300 м. Периодичность корректировки составляла 10-12 лет и была обусловлена техническим прогрессом и ростом средневзвешенной глубины карьеров. И сегодня к категории «глубоких» правильнее относить карьеры не просто по технологическим и геометрическим параметрам, а по объективной необходимости перехода на другую технологию горно-транспортных работ.
Увеличение глубины карьеров влечет за собой ухудшение технико-экономических показателей разработки месторождений, что объясняется ростом транспортных затрат, повышением коэффициента вскрыши, ухудшением условий работы оборудования и т.п. Академиком РАН В.В. Ржевским выделено два общих направления, предусматривающих предотвращение (снижение) и компенсацию отрицательных последствий роста глубины карьеров за счет применения новых технологий и техники. А поскольку синтезирующим параметром, в значительной степени определяющим технико-экономические показатели открытой разработки, является производственная мощность карьеров, то реализация указанных направлений ориентирована в первую очередь на поддержание их производительности по полезному ископаемому.
Все факторы, воздействующие на производительность карьеров при увеличении глубины горных работ, обычно разделяют на три основные группы [2]: горно-геологические (природные), технологические и технические.
Горно-геологические факторы носят объективный характер и имеют специфические особенности для каждого месторождения. По характеру влияния на производительность карьера их можно разделить на факторы, непосредственно воздействующие на производительность карьера по полезному ископаемому (в частности, снижение содержания полезного компонента в руде и уменьшение площади рудного тела) и горной массе (гидрогеологические и геомеханические условия ведения работ). При этом снижение содержания побуждает к увеличению, а уменьшение площади рудного тела – к снижению производительности карьера по руде. Гидрогеологические и геомеханические условия ведения работ влияют на угол откоса борта карьера, с уменьшением которого объемы вскрышных пород и соответственно требуемая производительность карьера по вскрыше увеличиваются. Вторая группа факторов, включающая физико-механические свойства горных пород, влияет на производительность карьера через производительность оборудования.
Перечисленные факторы относятся к неуправляемым факторам, но их влияние на производительность карьера может быть в определенной степени скомпенсировано различными технологическими, техническими и организационными приемами. Так, например, увеличение прочности пород компенсируется ростом энергетических затрат на их взрывное дробление, влияние обводненности месторождения на устойчивость бортов – предварительным осушением горного массива, а снижение производительности оборудования – увеличением его мощности или количества.
Важной особенностью технологических и технических факторов является то, что они, в отличие от природных факторов, управляемы в определенном диапазоне изменения. Такая управляемость указанными факторами базируется на возможности внедрения высокопроизводительной погрузочно-транспортной техники, совершенствования параметров систем разработки, схем вскрытия и транспортных систем карьеров. Поэтому, применяя комплекс управляющих воздействий, можно в значительной степени компенсировать отрицательное влияние глубины разработки и на протяжении достаточно длительного времени поддерживать производительность карьеров на заданном уровне.
В частности, на основе статистического анализа установлено, что развитие рабочей зоны большинства глубоких железорудных карьеров сопровождается: уменьшением средней ширины рабочих площадок на 7-13 м на каждые 50 м увеличения глубины разработки; снижением готовых к выемке запасов до 0,4-1,0 месяца; сокращением протяженности рабочего фронта [2]. Так, при глубине этих карьеров 250-350 м ширина рабочих площадок составляет 25-40 м, а доля площадок с нормативной шириной снизилось до 30-40 %. Следствием этого является уменьшение (в 2-3 раза) количества рядов взрывных скважин, а также объема взрываемых блоков, что в свою очередь ухудшает качество дробления пород и снижает производительность горно-транспортного оборудования.
Тенденция к уменьшению ширины рабочих площадок с увеличением глубины разработки усиливается временной консервацией отдельных участков бортов, которая способствует регулированию режима горных работ за счет переноса части объемов вскрыши на более отдаленные периоды. Поэтому наличие в рабочей зоне временно нерабочих участков – закономерное явление для глубоких карьеров, особенно в момент подхода рабочих бортов к предельному контуру, когда объем вскрышных работ достигает максимального значения.
Уменьшение производительности оборудования под воздействием ухудшающихся горно-геологических и горнотехнических условий разработки в определенной мере компенсируется техническим прогрессом. Это касается в первую очередь работы бурового и выемочно-погрузочного оборудования. Однако только техническим прогрессом полностью компенсировать влияние глубины разработки на технико-экономические показатели погрузочно-транспортного комплекса глубоких карьеров не удается. Такая ситуация объясняется тем, что наиболее трудно компенсируемое влияние глубина разработки оказывает на карьерный транспорт. Поэтому транспортная проблема была и остается одной из важнейших проблем глубоких карьеров. Этот принципиальный вывод подтверждается следующими фактами из развития железорудных карьеров в СНГ [3-8]:
1. Из 21 глубокого карьера большой производительности все карьеры имеют значительное отставание по вскрышным работам, а 13 карьеров не достигли проектной производительности по руде [2].
2. Низка эффективность использования комбинированного автомобильно-железнодорожного и автомобильно-конвейерного транспорта вследствие не всегда удачных технических решений по вскрытию глубоких горизонтов, конструкции перегрузочных пунктов, а также выбору места расположения конвейерных подъемников, площадок для размещения перегрузочных пунктов, складов, станций и вскрывающих выработок. Широкое применение для этих целей временных целиков препятствует нормальному развитию рабочей зоны.
3. Высота подъема горной массы автосамосвалами только в пределах выработанного пространства карьеров составляет 120-160 м и более, хотя рациональное ее значение не превышает 100 м (карьеры Соколовский, Сарбайский, Ковдорский, Стойленский, Лебединский, Ингулецкий, Первомайский и др.).
В то же время, с увеличением глубины карьера расстояние перевозки и высота подъема горной массы за границей выработанного пространства во внешние отвалы и склады забалансовой руды также увеличивается. Так, например, если при глубине карьера Мурунтау 150-170 м это расстояние перевозки составляло 0,3-1,2 км при высоте подъема до 30-40 м, то при глубине 400-450 м – уже соответственно 1,6-2,1 км и 70-130 м.
Таким образом, выполненный анализ позволяет сделать вывод о том, что транспортные системы карьеров в большинстве случаев отстали в своем развитии, не обеспечивают рациональных условий эксплуатации отдельных видов транспорта и сегодня не отвечают условиям ведения горных работ в глубоких карьерах. Именно с развитием транспортных систем большинства таких карьеров связываются сначала замедление темпов роста, а затем - снижение объемов добычи руды, систематическое отставание вскрышных работ и ухудшение технико-экономических показателей добычи.
Основным инженерно-техническим фактором, повлиявшим на развитие глубоких карьеров, явилось отсутствие (50-е и 60-е годы) опыта их проектирования и эксплуатации, а также научно-обоснованных закономерностей формирования рабочей зоны карьеров, вскрытия глубоких горизонтов, изменения технико-экономических показателей основных процессов горных работ, рациональных условий применения отдельных видов транспорта и т.д.
К настоящему времени, когда отдельные карьеры, достигнув глубины 300-350 м, претерпели не одну реконструкцию, можно сделать определенные выводы об общих закономерностях разработки месторождений глубокими карьерами. Эти закономерности во многом порождены поэтапной разработкой месторождений с выделением промежуточных контуров карьеров или неоднократным пересмотром конечной глубины карьеров с изменением их границ по поверхности. Оба этих варианта, принципиально различающихся только вынужденным или заранее проектируемым пересмотром границ открытой разработки, имеют как позитивные, так и негативные последствия.
К позитивным последствиям поэтапной разработки месторождений относятся:
• возможность сокращения на первом этапе разработки объемов горно-капитальных и вскрышных работ;
• ускоренный ввод карьера в эксплуатацию;
• меньшая протяженность транспортных коммуникаций в первые годы эксплуатации.
Однако эти преимущества поэтапной разработки носят, во-первых, сравнительно краткосрочный характер, а, во-вторых, в большинстве случаев существенно перекрываются долговременными негативными факторами:
• искусственное сокращение фронта горных работ приводит к временной консервации части рабочей зоны карьера для размещения в ней вскрывающих выработок, транспортных коммуникаций, перегрузочных пунктов, разминовочных станций и т.п.;
• необходимость ликвидации и переустройства в новых контурах практически всей сложившейся на предыдущем этапе разработки карьера транспортной системы и соответствующей ей схемы вскрытия, что в условиях действующего предприятия весьма затруднительно в организационном и накладно в экономическом плане;
• стремление перенести перестройку транспортных коммуникаций на более отдаленный период из-за нежелательного снижения производственной мощности действующего предприятия и трудностей финансового порядка, выводя тем самым транспорт за рамки экономически целесообразной области работы и усугубляя ситуацию в будущем.
В этих условиях на первый план выдвигаются задачи разработки общей стратегии поэтапного развития глубоких карьеров с обоснованием закономерностей формирования их транспортных систем в изменяющихся горнотехнических условиях, установлением рациональных областей применения различных видов транспорта с учетом технического прогресса в технике и технологии открытых горных разработок. Однако теория такого развития на основе научно-обоснованных рекомендаций по продолжительности отдельных этапов, последовательности формирования выработанного пространства, обоснованию выбытия мощностей по мере понижения горных работ, закономерности изменения технико-экономических показателей с ростом глубины карьеров и т.д. только начинает формироваться.
В целом, анализ особенностей развития во времени наиболее крупных карьеров позволяет сделать выводы о переходе количества в качество и о необходимости изменения подходов к ним как объекту исследований и эксплуатации. Поэтапное строительство карьеров, обоснованное проф. В.С. Хохряковым, показало, что даже у самого крупного по своим параметрам "суперкарьера" выделение во времени и пространстве этапов разработки (табл. 1.1) позволяет первоначально проектировать карьер традиционными методами. Однако уже при сооружении карьеров второго поколения глубиной 300-400 м отчетливо проявилась ограниченность или даже неприемлемость традиционных методов проектирования для карьеров третьего поколения. Такая ситуация объясняется тем, что карьеры этого поколения следует рассматривать как эволюционирующие во времени и изменяющиеся в пространстве сложные природно-промышленные системы, состоящие из также эволюционирующих подсистем вскрытия, транспорта, безопасности горных работ, безопасности персонала, формирования отвалов и т.п. Поэтому стратегия развития глубокого карьера должна разрабатываться с учетом такой эволюции как системы в целом, так и отдельных ее подсистем.
Таблица 1.1
Максимальные параметры и показатели карьеров

Наименование	Значение
Поколение карьера Глубина карьера, м Производительность, млн.т/год - по полезному ископаемому - по горной массе Срок существования, лет Количество реконструкций (очередей)	1 100 10 15 20 1	2 400 30 60 50 3-4	3 1000 100 400 100 5-8

Таким образом, анализ основных недостатков теории и практики строительства глубоких карьеров отчетливо выявил необходимость в разработке стратегии их эволюционного развития до технически достижимых границ, а развитие их подсистем – подкрепляться графиками капитальных вложений с определением источников финансирования и погашения заемных средств. При этом производственная мощность различных этапов существования таких карьеров должна быть сбалансирована с горными и экономическими возможностями предприятия.