автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.03, диссертация на тему:Технологические основы разработки глубоких кимберлитовых карьеров в условиях многолетней мерзлоты

РГб од

-■' - " РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА

' На правах рукописи УДК 622. 371. 002. 2: 551. 34

АНДРОСОВ Артур Дмитриевич

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ГЛУБОКИХ КИМБЕРЛИТОВЫХ КАРЬЕРОВ В УСЛОВИЯХ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ

Специальность .05.15.03 - "Открытая разработка месторождений полезных ископаемых"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант член-корреспондент РАН ЯКОВЛЕВ В. Л.

Новосибирск - 1993 г.

Работа выполнена в Институте горного дела Севера СО РАН

Официальные оппоненты: лауреат Государственной премии СССР,

доктор технических наук, профессор В. С. Хохряков

доктор технических наук, профессор В. П. Смирнов

доктор технических наук А. С. Ташкинов

Ведущее предприятие - Красноярский институт цветных металлов

Защита состоится " " КШ^^А_1993 г. в часов

на заседании специализированного совета Д. 003.17. 03. при Институте горного дела СО РАН (630091, Новосибирск-91, Красный проспект, 54)

Отзывы на автореферат в двух экземлярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "

1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета, докт. техн. наук

0. Б. Кортелев

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Разработка месторождений полезных ископаемых открытым способом на большую глубину ставит много проблем перед наукой и практикой. Она затрагивает практически все стороны горного производства и отрасли его обеспечивающие. Особенно остро эти проблемы возникают при разработке кимберли-товых месторождений Республики Саха, находящихся в крайне суровых природных условиях.

В настоящее время в Якутской алмазоносной провинции открытым способом разрабатываются кимберлитовые трубки до глубины 500-600 м, в перспективе 800-900 м. Горными работами вскрыты подмерзлотные напорные пластовые воды, насыщенные метаном, гомологами метана, сероводородом, а также радиоактивными аэрозолями, оказывающими пагубное влияние на окружающую среду. Анализ объективных закономерностей развития открытых горных работ свидетельствует о том, что объемы вскрышных работ в контуре кимберлитового карьера на каждые сто метров углубки при глубине 600 м возрастают от 2,07 до 6 раз, а себестоимость вскрышных работ - от 1,53 до 6,53 раза. С глубиной разработок резко сокращается рабочая зона карьера, ограниченные рабочие площадки ухудшают показатели использования горно-транспортного оборудования. В таких специфических горно-технических условиях многоэтапная отработка сопровождается постоянным расширением контуров открытых разработок преимущественно по всему периметру карьеров, что в свою очередь вызывает многократный разнос временных нерабочих бортов. Актуальными являются также вопросы отстройки бортов карьеров в предельном положении и технология доработки глубоких карьеров в многолетнемерзлых породах с учетом перехода на подземные работы.

Уникальность горно-технических условий кимберлитовых карьеров выдвинула крупную проблему разработки данных месторождений и потребовала поиска новых технических решений, направленных на повышение эффективности открытого способа в экстремальных условиях Севера. Таким образом, создание технологических основ разработки глубоких кимберлитовых карьеров в многолетнемерзлых породах является крупной научней проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с важнейшей

комплексной научно-технической проблемой КП-3 по Минцветмету СССР в ХЬпятилетке "Исследовать, разработать и внедрить эффективную и безопасную технологию процессов подготовки и добычи горной массы на базе циклично-поточной технологии, обеспечивающих повышение производительности труда и работу мощного горно-транспортного оборудования на карьерах объединения "Яку-талмаз" (г. Мирный институт Якутнипроалмаз), программой НИР ИГД Севера СО РАН "Создание научных основ высокоэффективных ресурсосберегающих технологий открытой разработки месторождений полезных ископаемых в условиях нестационарного термомеханического режима массива" согласно пост. ГКНТ СССР N 867 от 06. 06. 91 г. Государственная научно-техническая программа "Техника для Севера", приоритетное направление исследований АН СССР 12. 9.1 "Разработка месторождений твердых полезных ископаемых", Сибирское отделение АН СССР, 7. "Механика, научные основы машиностроения и надежности машин", программа "Сибирь", подпрограмма "Горно-промышленный комплекс".

В диссертационной работе обобщены результаты многолетних исследований, выполненных автором в качестве исполнителя, ответственного исполнителя и научного руководителя ряда плановых тем в период 1973-1991 г. г. в институте "Якутнипроалмаз" МЦМ СССР и Институте горного дела Севера СО РАН.

Целью работы является обоснование технологических схем и параметров поэтапной разработки глубоких кимберлитовых карьеров в многолетнемерзлых породах.

Основная научная идея диссертационной работы заключается в том, что повышение эффективности поэтапной разработки глубоких кимберлитовых карьеров в многолетнемерзлых породах достигается при комплексном совершенствовании технологии отработки вскрыши в пределах этапа, отстройки бортов в промежуточном и конечном положениях с учетом динамики формирования карьерного пространства и доработки карьера.

Методы исследований. При решении проблемы использован комплексный метод, включающий анализ и научное обощение опыта разработки глубоких рудных карьеров, аналитические методы исследования динамики развития горных работ, . методы математической статистики и теории вероятностей, метод вариантов и эконо-

мико-математического моделирования на ЭВМ, промышленную апробацию полученных результатов исследования.

Основные защищаемые научные положения.

1. Выбор технологии поэтапной разработки глубоких кимбер-литовых карьеров представляет комплексную взаимосвязанную проблему, где технологию отработки вскрыши в пределах этапа, способы отстройки бортов в промежуточном и конечном положениях и схемы доработки карьера следует рассматривать во взаимосвязи и в динамике развития горных работ с учетом всего периода эксплуатации карьера.

2. Существенное сокращение объемов удаляемых пустых пород из карьерного пространства при обеспечении безопасных условий работ трудящихся и горно-транспортного оборудования может быть достигнуто формированием высоких уступов с предохранительными траншеями на транспортных бермах.

3. Выбор рационального режима работы глубокого кимберли-тового карьера обеспечивается оставлением временных целиков и последовательностью их расконсервации.

4. Полнота извлечения полезного ископаемого открытым способом при доработке карьеров и последующий переход на подземную разработку месторождения могут быть обеспечены путем использования льдопородных целиков и обоснованным выбором их параметров.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций

диссертации обоснована:

анализом технико-экономических показателей работы карьеров и сопоставлением результатов расчетов с фактическими показателями; сходимостью установленных закономерностей для реальных моделируемых процессов открытых работ с помощью современных вероятностно-статистических методов; экономико-математическим моделированием на ЭВМ с оценкой точности по критериям математической статистики; апробацией предложенных методик и рекомендаций проектными институтами горного профиля и в широком кругу специалистов; практическим использованием разработанных методик и рекомендаций при обосновании схем реконструкции, способов отстройки временных и нерабочих бортов глубоких карьеров АК "Алмазы России-Саха".

Научная новиана исследования заключается в комплексном подходе к решению проблемы разработки глубоких кимберлитовых карьеров, основанных на закономерностях динамики поэтапного развития карьерного пространства и взаимосвязях технологии отстройки бортов, схем реконструкции, этапов отработки и способов доработки карьеров при переходе на подземные работы; установлено влияние основных горно технических факторов, определяющих технико-экономические показатели работы карьеров в сложных условиях разработки месторождений; обоснованы критерии выбора поэтапной разработки кимберлитовых карьеров; установлены новые закономерности отстройки нерабочих бортов и технологии реконструкции карьеров; впервые установлены закономерности развития рабочей зоны карьера при расконсервации бортов с временными целиками и на их основе разработана методика обоснования режима горных работ; разработан новый метод горно-геометрического анализа карьера на продольной развертке временного борта; обоснованы параметры перекрытий и целиков при льдопо-родной технологии доработки карьеров в экстремальных условиях Крайнего Севера.

Практическая ценность исследования. Разработанные рекомендации и методики позволяют;

- выбрать рациональные технологические схемы реконструкции карьеров, обеспечивающих повышение производительности экскаваторов на 8-10%;

- принимать научно обоснованные решения по определению параметров многоэтапной отработки глубоких и сверхглубоких карьеров, позволяющих устанавливать рациональный режим горных работ с учетом переходных периодов отработки карьера по этапам;

- обосновать технологию отстройки временных и нерабочих бортов карьеров на стадии проектирования и эксплуатации, при' этом повысить интенсивность горных работ до 15% и сократить объемы вскрышных работ в контуре открытых разработок в 1,5-2 раза;

- внедрить при проектировании и эксплуатации карьеров рекомендуемые технологические схемы отработки карьеров, существенно повышающие народно-хозяйственную эффективность алмазодобывающей подотрасли.

Лично автором:_

- обобщен отечественный и зарубежный опыт разработки крутопадаювдх месторождений глубокими карьерами на основе ко-

'торого сформированы цель, идея и задачи исследования применительно к горно-техническим условиям кимберлитовых карьеров;

- предложен принцип комплексного совершенствования технологии отработки вскрыши в пределах этапа, способов отстройки бортов в промежуточном и конечном положениях и схем доработки карьеров с учетом перехода на подземные работы и динамики формирования карьерного пространства;

- установлены новые закономерности развития рабочей зоны при расконсервации нерабочих бортов с временными целиками, на основе которых разработана методика обоснования режима и календарных планов горных работ;

- установлены закономерности формирования нерабочих бортов карьеров в многолетнемерзлых породах с использованием новых принципов предложенных технических решений, позволяющие впервые дать количественную оценку увеличения генеральных углов бортов за счет щадящего режима формирования откосов, совершенствования конструкции нерабочих бортов и создания мерз-лотозащитных покрытий откосов бортов карьеров;

- предложены последовательность выбора критериев поэтапной разработки, критерии планирования горных работ в период реконструкции карьеров;

- доказана принципиальная возможность использования и установлены основные параметры льдопородной технологии доработки карьеров при переходе на подземную разработку месторождения.

Апробация работы Диссертационная работа и отдельные ее разделы на различных этапах выполнения докладывались на Всесоюзной конференции "Организация и управление горным производством; (г. Москва, 1978 г.), Всесоюзном семинаре "Проблемы разработки ресурсосберегающих технологий отработки месторождений полезных ископаемых Севера" (г. Якутск, 1988 г.), VIII Всесоюзном семинаре "Оптимизация горных работ" (г. Новосибирск, 1989 г.), Всесоюзной конференции "Горнодобывающие комплексы Сибири и их минерально-сырьевая база" (г. Улан-Удэ, 1990 г.), Международном симпозиуме "Горное дело в Арктике" (г. Фэрбэнкс,

1989 г.), Международном симпозиуме по открытым горным работам "Проблемы разработки глубоких карьеров" (г. Мирный, 1991 г.), секции драгоценных металлов и алмазов НТС Минцветмета СССР "Состояние и меры по научно-техническому обеспечению перехода на подземную разработку алмазных месторождений" (г. Мирный, 1988 г.), юбилейной научно-практической конференции Удач-нинскогО ГОКа (г. Надежный, 1982 г.), научно-техническом совете института "Иргиредмет" (г. Иркутск, 1984 г.), в проектных институтах "Унипромедь" (г. Свердловск, 1983 г.),"Якутнипроал-маз" (г. Мирный, 1982, 1984 г.г.) и Свердловском горном институте им. В. В. Вахрушева (г. Свердловск, 1982, 1984 г. г.).

Реализация работ Результаты исследований прошли апробацию на крупнейшей в мире алмазодобывающей АК "Алмазы России-Саха".

Рекомендации по планированию развития горных работ на руднике "Мирный" (1981 г.), рекомендации по внедрению изобретения по а. с. N 621875 "Способ отстройки нерабочего борта карьера" на карьере тр. "Удачная" Удачнинского ГОКа (1983 г.), рекомендации по внедрению изобретения по а.с. N 800369 "Способ расконсервации временных бортов карьеров" на карьере тр. "Интернациональная" рудника "Мирный" (1984 г.).

Общий фактический экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составил 2,17 млн. руб.

Публикация. Основное содержание диссертации опубликовано в одной монографии и 19 научных статьях. По результатам работы получено 9 авторских свидетельств.

Объем работы Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы из 167 наименований, приложения, содержит 237 страниц машинописного текста, 52 таблицы . 88 рисунков и 30 страниц приложений.

Автор выражает глубокую признательность чл. -корр. РАН, доктору технических наук В. Л. Яковлеву за ценные советы при формировании и обсуждении работы, коллегам по работе в ИГДС СО РАН за поддержку и критические замечания, оказавшие исключительно положительное влияние на выполнение исследований. . Автор также выражает благодарность коллективу лаборатории открытых горных работ института "Якутнипроалмаз", в творческом . содру-

жестве с которым он работал много лет.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ КРУТОПАДАЩИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Отечественный и зарубежный опыт разработки крутопадаюндах месторождений показывает, что отработка глубоких горизонтов стала одной из важных особенностей дальнейшего развития открытых горных работ. Горно-технические условия на глубоких горизонтах характеризуются большими объемами горной массы в конечных контурах карьера, увеличением дальности транспортирования руды и вскрыши, сокращением активного фронта работ. Доля затрат на транспорт при глубине карьеров 400-700 м возрасла до 60 -80%.

Такая ситуация в развитии открытого способа разработки поставила перед наукой и практикой необходимость решения крупных задач горной технологии. Это в первую очередь относится к совершенствованию поэтапной отработки глубоких карьеров, разработке новых конструкций промежуточных и конечных бортов, обеспечивающих их устойчивость и сокращение объемов вскрыши, обоснование и выбор способа их доработки с учетом перехода на подземные работы.

Крупный вклад в теорию разработки глубоких карьеров внесли фундаментальные исследования Е В. Мельникова, Е. Ф. Шешко, К К Ржевского, М. Г. Новожилова, В. А. Щелканова, М. В. Васильева,

B. Л. Яковлева, А. К Арсентьева, Ю. И. Анистратова, Б. К Тартаковс-кого, Е С. Хохрякова, Б. П. Юматова, Ж. В. Бунина, Г. Л. Фисенко, КГ. Зотеева, А. Г. Шапарь, М. С. Четверика, В. Г. Селянина и других. Благодаря их усилиям в отечественной практике созданы современные высокопроизводительные глубокие карьеры.

При выполнении работы автор использовал результаты исследований, способствовавших развитию технологии отработки глубоких кимберлитовых карьеров в сложных горно-технических, гидрогеологических и экстремальных условиях Севера и изложенных в трудах В. А. Галкина, Б. К Оводенко, С. П. Решетняка, В. Е Усынина,

C. С. Аршинова, Е К Звонарева, Г. Р. Глозмана, В. П. Смирнова, А. Е Шилина, К Е Изаксона, Г. Г. Саканцева, П. Т. Церенщикова, В. И.

Прокопенко, А. Ю. Дириженко и др.

Уникальность горно-технических условий разработки кимбер-литовых карьеров предопределила новые подходы к решению проблемы их отработки путем создания нетрадиционных способов и методов, учитывающих свойства многолетнемерзлых пород, специфику ограниченности рабочей зоны при этапной отработке карьеров, интенсивность поступления в карьерное пространство агрессивных рассолов, условия и требования перехода к подземным работам. Поэтому потребовалось комплексное решение таких глобальных -вопросов как совершенствование технологии формирования крутых и устойчивых бортов, поэтапной отработки месторождений, технологии доработки карьеров, которые базируются на законах динамики горных работ, позволяют обосновать схемы отработки карьеров и повысить эффективность открытого способа в экстремальных условиях Севера.

Для достижения поставленной цели проведены исследования и решены следующие научно-технические задачи:

1. Исследованы закономерности влияния основных горно-технических, технологических, климатических факторов на технико-экономические показатели работы глубоких кимберлитовых карьеров.

2. Исследованы и выделены существенные взаимосвязи технологии отстройки бортов, схем реконструкции, этапов отработки и способов доработки карьеров.

3. Обоснована последовательность выбора критериев поэтапного проектирования отработки карьеров.

4. Разработаны новые конструкции крутых и устойчивых бортов глубоких карьеров в многолетнемерзлых породах и определены их технологические параметры, обеспечивающие безопасные условия работ трудящимся и горно-транспортному оборудованию при существенном сокращении объемов удаляемых пустых пород из карьерного пространства.

5. Разработаны технологии реконструкции и поэтапного развития карьеров на основе анализа динамики горных работ.

6. Разработаны новые технические решения на технологию доработки глубоких кимберлитовых карьеров при переходе на подземные работы с применением льдопородных перекрытий и целиков

и обоснованы их основные параметры. -

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЮ, ЭКОНОМИКУ И ЭКОЛОГИЮ РАБОТЫ ГЛУБОКИХ КИМБЕРЛИТОВЫХ КАРЬЕРОВ

Поэтапная разработка кимберлиговых трубок открытым способом осуществляется с оставлением временных бортов по всему периметру конусообразных карьеров путем разделения карьерного поля в пределах конечных границ промежуточными контурами. Применяют последовательный и параллельный порядок отработки этапов карьера. В первом случае происходит перерыв в добыче руды, во втором - достигается непрерывность добычных работ за счет обеспечения своевременности совмещения контуров карьера (рис. 1). При этом установление глубины ведения горных работ в промежуточном контуре, при достижении которой начинается разнос временного борта, осуществляется в следующей последовательности. В момент, когда горные работы опустятся на глубину Нк , изображенную линией АВ , начинается разнос' временногр борта. Линии СД и EF на поперечном разрезе характеризуют положение борта в момент его разноса.

Тогда, при обеспечении соответствующих скоростей углубки промежуточного контура fln и контура разносимого борта tip момент возобновления горных работ на временном борту и глубину совмещения контуров карьера можно установить по следующим аналитическим зависимостям:

HK-MhrhJ, (и

п

где йН - понижение горных работ в промежуточном контуре за период разноса временного борта, м; Нк - глубина.совмещения контуров карьера, м; tpeK - продолжительность разноса временного борта карьера, лет; S ~ поперечное сучение кимберлитовой трубки, м2; Qa - производительность карьера по добыче руды, мЗ.

Данные взаимосвязи определяют правильный выбор режима и календарные планы.отработки карьера по годам при этапной отработке.

Схемы поэтапной отработки глубоких кимберлитевых карьеров

а) последовательный порядок;

б) параллельный порядок

Исследованиями выявлено, что основными факторами, определяющими эффективность горных рабе являются выбор количества и параметров этапов отработки, технология отстройки промежуточных и конечных контуров карьера, схема расконсервации временных бортов, производительность горно-транспортного оборудования, зависящая от горно-технических, организационных и климатических факторов.

В диссертационной работе установлены основные закономерности этапной отработки глубоких кимберлитовых карьеров. Разделяя карьерное пространство промежуточными контурами на множество этапов достигаем регулирования режима горных работ. При этом горно-геометрическими расчетами установлено влияние параметров временного борта, количества этапов отработки на ежегодные объемы производства вскрышных работ, на изменения размеров рабочих площадок и объемов работ по разносу бортов карьера. Данные зависимости для диапазона глубин карьеров 300900 м приведены на графиках (рис. 2). Откуда следует,, что для рассматриваемых карьеров многоэгапность с одной стороны улучшает режим горных работ, с другой - приводит к резкому увеличению объемов работ по разносу бортов и ограничению рабочей зоны карьера, уменьшая размеры рабочих, транспортных площадок и снижая производительность горно-транспортного оборудования. Учет этих особенностей и порядка развития работ по расконсервации временных бортов, в конечном итоге, позволяют обосновать рациональный режим работы глубокого карьера.

Анализ показал, что применительно к карьерам округлой формы наиболее приемлемыми являются схемы расконсервации временных бортов с минимальным и максимальным количеством рабочих горизонтов, с использованием опережающих временных съездов и поперечными заходками. Выполненной по методике А. И. Арсентьева сравнительной оценкой различных схем установлено, что наибольшие скорости понижения горных работ достигаются при-разносе бортов минимальным количеством горизонтов благодаря организации широких рабочих площадок горно-транспортному оборудованию. Разнос бортов с созданием максимальной активной рабочей зоны по высоте временного борта позволяет улучшить режим горных работ снижением годовых объемов переходного периода отработки

Основные закономерности многоэтапной отработки глубоких кимберлитовых карьеров

карьера этапами. Поэтому полученные результаты можно использовать для обоснованного выбора той или иной схемы расконсервации в зависимости от создавшейся производственной ситуации при поэтапном развитии карьера.

Исследовано влияние горно-технических, технологических и климатических факторов на технико-экономические показатели открытой разработки кимберлитовых трубок. В качестве основных факторов приняты глубина ведения горных работ, производитель-' ность экскаваторно-автомобильных комплексов карьеров, зависящая от параметров и мощностей применяемого оборудования, организации работ и температуры окружающей среды в карьере. На основе обработки статистических данных для кимберлитовых карьеров корреляционные зависимости (рис. 3)- изменения производительности и себестоимости разработки 1 мЗ горных работ от глубины разработок при автомобильном и автомобильно-конвейерном транспортах, интенсивности горных работ, мощностей применяемого горно-транспортного оборудования и температуры воздуха получены в виде следующих уравнений:

П^8376,82-21,Ш-Н; Я/=3372,5-8М2-Н; (2)

0,3978 +0,0241-Н; £ 1,23+0,0129-Н; (з)

Св--0,036+0,053-аЬ ; С9 =2,557-0,0356■ ?'; (4)

С°= 19,3-Н +25,7-Н; С^П5-Н+0,т-н\ (5)

к к

где Л1 ,Л2 - годовая производительность карьера по вскрыше для карьера N 1 и N 2, тыс. мЗ; Н -^средневзвешенная высота подъема горных пород из карьера, м; С1 , С2 - себестоимость разработки 1 мЗ горных пород для карьера N 1 и N 2, руб. мЗ; интенсивность понижения горных работ, м/год; Ь - температура наружного воздуха в карьере, град; С} - себестоимость разработки 1 мЗ горных пород при автомобильном и автомобильно-конвейерном транспортах, руб/мЗ.

Производительности экскаваторно-автомобильных комплексов с учетом технологических, организационных и климатических, фак-

Зависимости технико-экономических показателей работы карьеров от горно-технических факторов

2 Св,рубУ

а, б - графики изменения производительности карьеров и себестоимости разработки от глубины; в - зависимость себестоимости разработки от темпов понижения горных работ; г - изменение себестоимости разработки при автомобильном и автомобильно-конвейерном транспортах; I, 2 - карье] №1и№2;3,4- автомобильный и автомооильнэ-кэнвейерный транспорты.

торов описаны в виде следующих многофакторных корреляционных моделей:

Комплекс ЭКГ-8 и автосамосвалы БелАЗ-540, 548,

Л*' ~2638,29+0,082• Цсм+Щ 81-кэ +Ь,255-пА + (6)

1028,72-к-2,338^';

Комлекс ЭКГ-12,5 и автосамосвал БелАЗ-549, НД-1200,

-№5,59+22,721(1 -9,271+18,56-п + +6,7-$л-0№5-ЕТя-2,753-*; (?)

ттк

где Щ - производительность экскаваторно-автомобильного комплекса в 1-м месяце, тыс. мЗ/мес; 0[си - сменная производительность экскаватора, мЗ;^^ - суммарная емкость ковшей работающих экскаваторов, мЗ; ПА - рабочее количество автосамосвалов, шт.; Ь - среднее расстояние транспортирования горных пород в планируемом месяце, км;ЕТЭ - суммарные простои, экскаваторов в планируемом месяце, час; Кэ , КА - соответственно, коэффициент использования экскаватора и автопарка во времени.

Коэффициенты корреляций уравнений (2) составили 0,68 и 0,65; уравнений (3) - 0,83 и:0,95; уравнений (4) - 0,8 и 0,89; уравнений (6) и (7) - 0,81 и 0,9.

Установленные закономерности дают оценку состояния горных работ и позволяют при перспективном и текущем планированиях прогнозировать технико-экономические показатели глубоких карьеров Севера с учетом специфических горно-технических, организационных и климатических факторов.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗЕЙ И ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАЗВИТИЯ КАРЬЕРА С ТЕХНОЛОГИЕЙ ОТСТРОЙКИ БОРТОВ И ЗТАПНОСТЫО РАЗРАБОТКИ

При разработке крутопадающих трубообразных месторождений существуют явно выраженные взаимосвязи между технологией отстройки бортов, глубиной карьеров и режимом горных работ. Кру-

тые углы откосов бортов наряду с сокращением объемов вскрыши в контуре карьера снижают пиковые годовые объемы работ, а в период отработки глубоких горизонтов и доработки карьеров обеспечивают дополнительную выемку руды открытым способом без разноса их . бортов. Следовательно, данные , взаимосвязи технологически выражаются в том, что выбирая конструкцию нерабочего борта карьера устанавливают объемы горных работ в контуре открытых разработок, варьируя зтапностью отработки карьера регулируют режим горных работ, обосновывая схему доработки карьера оценивают возможности открытого способа на больших глубинах.

Горно-геометрическими расчетами установлены изменения объемов горных работ в контуре открытых разработок и среднегодовых объемов вскрыши в зависимости от углов откосов нерабочих бортов. На параметры открытых разработок также влияет схема доработки карьеров. На кимберлитовых карьерах при их доработке, например, меняя схему формирования транспортных и предохранительных берм с учетом снижшия горно-технических возможностей на больших глубинах можно добиться изменения конструкций нерабочих бортов. Анализ различных приемлемых вариантов технологических, схем показал, что при доработке карьеров предпочтение следует отдавать узким спиральным съездам, нежели крутым, т.к. в этом случае объемы вскрыши в контуре карьера сокращаются более 5%.

Существенное изменение календарных объемов горных работ при поэтапной разработке можно добиться варьированием динамики разноса временных боргов. Математическими методами получены закономерности разноса временных бортов, которые учитывают ограниченность рабочей зоны, конфигурацию карьеров и позволяют в любой момент времени рассчитывать длину фронта работ, размеры рабочих площадок, возможное количество нарезаемых уступов на временном борту, текущие объемы горных работ'в зависимости от интенсивности и глубины ведения горных работ.

Таким образом анализ взаимосвязей и закономерностей развития карьера с технологией отстройки бортов и зтапностью разработки, основанный, на горно-геометрических расчетах и аналитических исследованиях динамики горных работ, предопределил

поэтапный динамический подход к решению проблемы. В поэтапной динамической постановке, решение проблемы разработки глубоко-залегающих кимберлитовых трубок разделяется на ряд этапов, на каждом из которых оптимизируются определенные параметры открытых разработок. При этом сформулирована последовательность выбора критериев, которая в математической символике записывается следующим образом:

_ в —

Е3{—^мси, ¿€/,М,

«о,

где Ц - объемы удаляемых вскрышных пород из 1-го горизонта, млн. мЗ; Н - обшая проектная глубина отработки кимберлитовой трубки открытым способом, м; 3{ - затраты Ь-го года на горные работы, руб; Е- приведенные капитальные затраты Ь-го года, руб; С* XI' ' себестоимость разработки 1 мЗ горных пород в реконструируемом и промежуточном контурах с учетом глубины горных работ в £.-м году, руб/мЗ; объемы вскрыш-

ных работ 1-го года по разносу временного борта и промежуточному контуру, млн. мЗ; 31. - годовые затраты Ь-го года на доработку карьера с использованием искусственных сооружений, руб;

К* , - соответственно, капитальные и эксплуатационные затраты 1:-го года на сооружение и содержание искусственных перекрытий, руб; Ы - срок существования карьера, лет.

По первому критерию (8) устанавливаются контуры карьеров по условию достижения минимальных объемов производства вскрышных работ. По критерию (9) оптимизируется вариант развития карьера при этапной его отработке на основе расчета годовых затрат. На последнем этапе по условию минимизации (10) суммарных капитальных и эксплуатационных затрат выбирается вариант технического решения на сооружение на дне карьера искусственного предохранительного перекрытия.

Последовательность выбора критериев учитывает технологию .

отстройки бортов, динамику развития промежуточных контуров и способ доработки карьера в многолетнемерзлых породах при переходе на подземные работы. Минимизация по данным трем критериям означает, что наилучшему варианту отработки кимберлитовой трубки отвечает комплекс технических решений, при которых достигается выемка ограниченных объемов вскрыши в контуре открытых разработок с минимальными затратами на их отработку.

4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОТСТРОЙКИ КРУТЫХ И УСТОЙЧИВЫХ БОРТОВ ГЛУБОКИХ' КАРЬЕРОВ В МНОГОЛЕТ НЕМЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ

В результате анализа фундаментальных исследований Г. Л. Фи-сенко, В. Г. Зотеева, А. И. Арсентьева, А. Г. Шапарь, К К. Звонарева, Г. Р. Глозмана, В. Ю. Изаксона, К П. Неганова и др. и существующей практики проектирования глубоких карьеров Севера определились три направления повышения устойчивости крутых откосов бортов в многолетнемерзлых породах:

- создание щадящей законтурный массив многолетнемерзлых пород технологии формирования уступов погашения;

- совершенствование конструкции нерабочих бортов, позволяющей перейти на высокие уступы погашения при одновременном обеспечении безопасности ведения'горных работ;

- создание методов и средств, обеспечивающих устойчивость уступов путем сохранения откосов в многолетнемерзлом состоянии.

По каждому из этих направлений выявленные резервы можно реализовать как при применении буровзрывной технологии, так и безвзрывной. Тогда прогнозируемое увеличение углов откосов бортов ф за счет реализации указанных направлений составит:

(П)

где ^ - фактически достигнутые углы откосов бортов -в многолетнемерзлых породах, град;Д^*- возможные значения увеличения углов откосов за счет совершенствования способа отстройки бортов, град. '

¿Хг +аТэ ,

где л Тг >й!Рг - доля увеличения углов откосов, соответст-

венно, за счет щадящего режима формирования уступов, совершенствования конструкции боргов карьера, применения мерзлото-зашитных покрытий откосов, град.

Проведенными исследованиями обоснованы конструкция кумулятивного заряда (патент 1792519) и его технологические параметры при взрывании контурных скважин на заоткоске бортов карьера (а. с. 1707201), позволяющая создать гладкие и устойчивые откосы уступов путем направления кумулятивной струи по плоскости формируемого откоса. Безвзрывная технология предполагает применения на нарушенной взрывами приконтурной зоне экскаваторов с активными исполнительными .органами, роторных экскаваторов, комбайнов и др. техники с целью повышения коэффициента структурного ослабления массива при формировании • откосов от 0,21 (при буровзрывной технологии согласно ВНИМИ) до 0,4 (при безвзрывной технологии согласно расчетам).

Разработаны и установлены основные параметры конструкции бортов карьера с искусственными бермами и предохранительной траншеей (а. с. 289927), создающие безопасность ведения горных работ при формировании бортов высокими уступами погашения. Сущность конструкции нерабочего борта, формируемой частичным или полным исключением существующих предохранительных берм и созданием совмещенной на транспортной берме улавливающей предохранительной траншеи, состоит в следующем (рис. 4). Транспортная берма 1 проходится под высоким уступом погашения 2 большой ширины, на которой размешается предохранительная траншея 3 с защитным валом 4 из пустых пород с нанесением на него с тыльной стороны набрызг-бетона 5, а откосы уступов покрываются мерзлотозащитным экраном 6. Предохранительная траншея и защитный вал с набрызг-бетонным покрытием защищают движущиеся под высокими уступами автосамосвалы и др. оборудование от случайно падающих предметов, камней с берм и откосов бортов карьера.

Установлены математические зависимости, обосновывающие основные параметры элементов борта карьера новой конструкции:

Конструкция нерабочего борта карьера с предохранительной траншеей

а - профиль борта карьера; б, в - графики изменения углов откосов бортов карьера и параметров транспортной бермы от высоты уступов погашения; I, 2', 3, 4, 5, б, 7'- глубина карьера, соответственно 300, 400, ..., 900 м; I, Л, ill, 1У, У - грузоподъемность автосамосвала, соответственно 27, 40, 75, 110, 180 т; - транспортная берма;----защитная стенка

где Т - угол откооа борта карьера, град; ШТ5 - общая ширина

количество витков транспортной

транспортной бермы, м; /lTS бермы до конечной глубины карьера, шт.; Hw - высота уступа погашения, шт.; ЛуЯ - количество уступов погашения,шт; cL - угол откоса уступа погашения, град; Щс -ширина проезжей части спирального съезда, м; III,. - ширина защитного вала, м; Щ- - ши-

QO ПТ

рина предохранительной транщеи, м.

Параметры предохранительной траншеи и зашятного вала определены с использованием методики Е М. Ройнишвили в зависимости от высоты откоса. Для этого расчетами на выскакивание устанавливается необходимая глубина улавливающей, предохранительной траншеи и высота защитного вала, ограждающая улавливающую траншею со стороны проезжей части дороги от возможного выскакивания камней за их пределы. На графиках (рис. 4) представлены зависимости углЬв откосов бортов карьера и параметров транспортных берм от высоты уступов погашения. Рекомендуемые размеры транспортной бермы для автосамосвалов различной грузоподъемности в зависимости от высоты уступа погашения приведены в табл. 1..

Таблица 1

Рекомендуемые размеры транспортной бермы для авгосамосвалов различной грузоподъемности

"Т"

Марка автосамосвала

Проектная

ширина съезда, м

Ширина съезда с улавливающей предохранительной траншеей при высоте уступа погашения, м

-1-—I-1-1-л-1-1-1-

60 | 90 | 120| 150| 180! 210| 240| 270| 300

БелАЗ-540А (27 т) БелАЗ-548А (40 т) БелАЗ-549 (75 т) БелАЗ-7519 (110 т) БелАЗ-7521 (180 т)

17,0 20,0 25,0 30,0 36,5

31,0|32,5 I

24,0|35,5

I

39,0|40,5

I

44,0|45,5

I

50,5|52,0

33,5|35,5

I

36,5|38,5

I •

41,5143,5

I

46,5)48,5

I

53,0|55,0

37,0 40,0 45,0 50,0 56,5

38,0 41,0 46,0 51,0 57,5

39,5 42,5 47,5 52,5 59,0

41,0 44,0 49,0 54,0 60,5

43,0 46,0 51,0 56,0 62,5

Выполненные расчеты показали, что за счет совершенствования конструкции бортов, позволяющей перейти на высокие уступы погашения (более 60 м) возможно увеличение углов наклона бортов на 9-14 град.

В работе доказана эффективность и целесообразность применения мерзлотозащитных покрытий откосов для создания крутых и устойчивых уступов на основе применения местных дешевых материалов на сапропелевой основе и вспененных пластмасс с гибкими перекрытиями. Прогнозируемые углы откосов при применении безвзрывной технологии формирования бортов карьера и мерзлотозащитных покрытий откосов уступов, рассчитанные по методике ВНИ-МИ, приведены в табл. 2 и'З.

Таблица 2

Таблица 3

Прогнозируемые углы откосов при применении безвзрывной технологии формирования

Прогнозируемые углы наклона бортов при применении мерзлотозащитных покрытий откосов уступов

бортов карьера

Глубина|Угол откоса борта карьера|карьера, град

м |--,-

|взрывная |безвзрывная |технология|технология

Показатели |без |с пок-|покры-|рытием |тия |

Высота уступа погашения, м Ширина бермы безопасности, м

45 | 45

300 400 500 600 700 800 900

47

45

43

41,5

40,5

40

39

56 53 48 46 45 44 43

] |шения, град

Угол откоса . борта карьера, град

Угол- откоса уступа пога-

65 | 68

15 | 15

47 I 49

Таким образом проведенными исследованиями и .новыми разработками доказана возможность увеличения генеральных углов откосов бортов в многолетнемерзлых породах до 20 град, путем совершенствования конструктивных элементов бортов карьера, применения щадящего режима формирования уступов погашения и мерзлотозашитных покрытий откосов.

5. РАЗБИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЭТАПНОЙ РАЗРАБОТКИ ГЛУБОКИХ КАРЬЕРОВ

Применительно к поэтапной разработке кимберлитовых карьеров разработана целиков&я технология расконсервации временных бортов, обеспечивающая высокую интенсивность их разноса при кольцевом развитии горных работ по всему периметру карьера. •Сущность ее состоит в том, что развитие горных работ в зоне разноса борта начинают с проходки съезда 1 на гор. 15 м (рис. 5, а) размером аЬёе по периметру конечного контура карьера и создания котлована Ьс'кГ на данном горизонте. После завершения подготовки гор. 15 м (фигура ас'кГ<1е) его отработку ведут в двух противоположных направлениях: по направлению А - на всю ширину зоны разноса Шпр (длина фронта ст), а по направлению В - отработку ведут меньшей шириной, равной ширине нормальной рабочей плошадки Впр. Тогда, в процессе отработки гор. 15 м в такой последовательности в приконтурной зоне в направлении В формируется породный целик 2 размером ес1к' Г. Одновременно по мере подвигания фронта ст в направлении А на достаточную длину начинают проходку съезда 3 на гор. 30 м. После проходки съезда

3 и создания котлована, работы на гор. 30 м развивают также, как и на гор. 15 м, в двух направлениях с формированием целика

4 на гор. 30 м. В дальнейшем формирование целиков на нижележащих горизонтах осуществляют аналогично горизонтам 15 и 30 м. Поскольку горные работы в зоне разноса ведутся по всему периметру круглого карьера, то и целики формируются по кольцевой конической поверхности временного борта (рис. 5, б)

Целиковая технология расконсервации временного нерабочего борта карьера

12

У±,мм.н3

1 г

у

а - последовательность формирования цзликов; б -план карьера при расконсервации его бортов с оставлением цзликов; в - календарный план горных работ; I - прэмежуточшй контур; Л - конечный контур; 1,3-съезды; 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9 - временныЕ цзлики.

- без цзликов;

--- с целиками;

объемы формируемых целиков по годам; -х-х- объемы отрабатываемых цзликов по годам.

Размеры целиков определяются.по следующим формулам: ...... - , • (14)

где Ви - ширина целика, м\ЬЦ - длина целика на К-м горизонте, м; - объем целика на К-м горизонте, мЗ; - высота уступа, м; } - уклон съезда, 7»\йЬк^ - длина площадки смягчения на К-1-м горизонте, м; Втр - ширина траншеи, м.

Целики являются динамическими, т. к. они постоянно находятся в стадии формирования или отработки в соответствии с закономерностями разноса временного борта по глубине карьера. Поэтому, использование динамических целиков позволяет'создать в ограниченных условиях максимальную активную рабочую зону за счет рассредоточения горных работ по высоте временного борта.

Разработана методика обоснования режима и календарных планов горных работ на основе нового метода горно-геометрического анализа на продольной развертке временного борта. Методика учитывает процесс развития работ на временном борту во взаимосвязи с горными работами в промежуточном контуре, динамику формирования и отработки целиков в рабочей зоне карьера (табл. 4). При этом основные составляющие, определяющие интенсивность и сроки отработки целиков, установлены по следующим формулам:

Vй Г¥ + У ■

ц оп ш т > а от1 9>1 >

где - продолжительность отработки целика на 1-м горизонте, мес; ^ '- объем целика на ¿-м горизонте, мЗ; {¡9 - месячная производительность экскаватора, мЗ/мес; - сроки формирования целика на 1-м горизонте с момента начала реконструкции карьера, мес; I- объемы горно-подготовительных работ 1-го горизонта, мЗ; - объемы работ для создания нормальной рабочей площадки на 1-м горизонте длиной, равной длине целика,

, ц ■ ,и

мЗ; и0Т1 - сроки отработки целика на 1-м горизонте, мес; ¿^

начало отработки целика на 1-м горизонте, определяемое глуби-

ной и интенсивностью ведения горных работ на временном борту, мес; - продолжительность стояния целика на ¡-м горизонте, мес.

Таблица 4

Динамика формирования и отработки целиков

Гори- 1 | Нарастающее количество целиков, шт

зонт,

м |формируемых по отрабатываемых в процессе углубки карь-

|высоте времен- ера при глубине промежуточного контура,м

ного борта

. 1

180 225 270 | 1 315

30 1 2 - - 1 -

60 1 4 - | -

90 1 6 - - | -

120 1 8 1 - | -

150 | 10 3 1 |

180 | 12 5 3 1 1 -

210 1 14 - 6 3 1 1

240 1 16 - - 5 I 3

270 | 18 - - 7 I 5

300 | 20 - - | 7

315 | 20 - - | 9

ВСЕГО 1 20 11 14 17 | 1 20

в том 1 5 6 1 7 I 9

числе -- -' - | -

6 8 10 | 11

Примечание. В числителе - количество целиков, отрабатываемых до совмещения контуров карьера; в знаменателе - количество целиков, отрабатываемых после совмещения контуров.

Установлены сроки консервации объемов в целиках во времени в зависимости от ширины зоны разноса борта карьера (табл.

5). Календарные планы развития карьера в переходные периоды с учетом динамики формирования и отработки целиков представлены на графиках (рис. 5). Целиковая технология расконсервации временных бортов по а. с. 800369 апробирована и внедрена на карьере трубки "Мир" АК "Алмазы России-Саха".

Таблица 5

Продолжительность консервации объемов работ в целиках

Ширина Количество Суммарные 1 |Консервация объемов в

зоны формируемых объемы фор- |целиках по годам, %

разноса, целиков, мируемых 1-1- 1 1 1

м шт. целиков, 1 ДО ■ |1-2 1 2-3| 3-4|4-5

тыс. мЗ И года| 1 "1 1 1 I 1 1 1

80 11 4914,0 1 1 1 - 1 35 1 1 1 34 | 31 | -

100 11 7457,5 1 - 1 36 1 33 | 31 | -

120 И 10074,0 1 -1-35 1 33 | 32 | -

Решена проблема вскрытия промежуточных контуров при поэтапной отработке кимберлитовых карьеров путем сооружения встречных транспортных и наклонных предохранительных берм. Такая схема отстройки промежуточных контуров обеспечивает одновременное и независимое развитие фронта горных работ на горизонтах от нескольких • участков и исключает простои карьера, вызванные заваливанием спиральных съездов горной породой в результате проведения взрывных работ на временном борту. Способ по а. с. 621875 апробирован и внедрен на карьере трубки "Удачная" АК "Алмазы России-Саха".

Существенным фактором, влияющим на эффективность работы карьеров является планирование горных работ. В работе выполнена поэтапная оптимизация текущих планов горных работ при реконструкции карьеров. Методика основана на выборе направления отработки горизонтов, обеспечивающей в сложных горно-технических условиях максимальную интенсивность понижения горных работ в течение года, обосновании на ЭВМ месячных объемов горных работ по условию минимизации суммарных годовых затрат и планиро-

вании работы горно-транспортного оборудования по месяцам с полным учетом технологических, организационных и климатических факторов.

6. ДОРАБОТКА КИМБЕРЛИТОВЫХ КАРЬЕРОВ С УЧЕТОМ ПЕРЕХОДА НА ПОДЗЕМНЫЕ РАБОТЫ

Проблема доработки кимберлитовых карьеров возникла в связи с завершением открытых горных работ, переходом на отработку запасов глубоких горизонтов подземным способом и происходит в особо сложных горно-технических условиях, характеризующихся наличием агрессивных пластовых вод в подмерзлотной зоне. Ухудшение гидрогеологических условий вызывает дополнительные затраты на осушение глубоких горизонтов, снижение устойчивости уступов, транспортных и предохранительных берм.

В условиях существования внешней системы осушения и внут-рикарьерного водоотлива совместно с р'удником "Мирный" апробирована технология отработки обводненных горизонтов с осушением рудных блоков в процессе их выемки. Технологическая схема предполагает улучшить условия их осушения, при незначительном опережении депрессионной воронкой дна карьера, наличии остаточных притоков на нижних горизонтах, за счет опережающего вскрытия контуров рудного тела, при котором разрыхленная горная масса и горные выработки служат водосборником и дренажом. Эффективность технологической схемы достигается за счет сокращения транспортных расходов от уменьшения влажности добываемой руды и снижения объема откачиваемой воды в системе осушения.

Ухудшение гидрогеологических условий в подмерзлотной зоне обуславливает снижение устойчивости открытых горных выработок, а следовательно, оказывает влияние на конструктивные параметры бортов карьера Доработка карьеров в таких условиях возможна под различными углами погашения, при которых возникают или потери руды под бортами, или требуется выемка дополнительных объемов вскрыши для более полного извлечения запасов руды в контуре открытых разработок. Графоаналитическими расчетами установлено, что при глубине карьеров до 600 м, потенциальная возможность сокращения объемов вскрышных работ

при их доработке за счет совершенствования технологии и возможного увеличения углов откосов бортов в подмерзлотной зоне от 60 град, до 75 град, составляет 1,2-1,6 раза. Потери руды под бортами при тех же углах погашения уменьшаются от 15% до 1.5%.

Технические и технологические сложности возникают в связи с отработкой бортовых целиков драгоценной алмазной руды и гидроизоляцией отработанных карьеров при переходе на подземные работы. Раз1 отанные технические решения с использованием ль-допородных целиков (а. с. 915512) позволяют без производства дополнительной вскрыши извлекать бортовые целики руды (рис. 6), а также осуществлять гидроизоляцию карьера (рис. 7) путем создания на его дне искусственного многолетнемерзлого перекрытия (а. с. 1633125). Установлены основные параметры льдопород-ной технологии для выемки целиков руды и гидроизоляции карьеров: мощность льдопородного целика (30 м), продолжительность замораживания целика (32 сутки при = -25 С), температурное поле ( О С) и продолжительность размораживания (230 лет) целика (табл. 6). Рекомендации рассмотрены при составлении ТЭО целесообразности отработки месторождения трубки "Мир" подземным" способом, экономический эффект по сравнению с бетонным целиком составил более 6 млн. руб. (цены 1989 г.).

Таблица 6

Продолжительность замораживания породной пульпы

1 NN | п/п) 1 I Толщина слоя, к , м 1 I Температура окру-| жающей среды, 1 , град. 1 1 |Продолжительность |замораживания, I Т , час 1

1 1 1 0,05 1 | -20 1 1 5,8

2 1 0,05 | -30 1 ,3,9

3 1 0,05 I -40 1 2,9

4 1 0,05 I -50 1 2,3

5 1 0,05 | -60 1 1,9

Таким образом, разработана и доказана принципиальная возможность создания на дне дорабатываемых карьеров искусственных

Схема доработки карьера с применением льдопородных цзликов

I - рудный цзлик; 2 - лвдопородный цзлик; 3 - логрузочное оборудование; 4 - подземная выработка; 6 - спиральный съезд; 6 - дно карьера рис. 6

принципиальная схема способа защиты подземных работ от проникновения вод .1

I - трубопровод; 2 - искусственное многолетнемерзлое перекрытие; 3 - предохранительный целик мезду открытыми и подземными работами; 4 - зона вечной мерзлоты; о - толща воды; 6 - горизонтальная тампонажная завеса; 7 - подземные выработни

льдопородных целиков и перекрытий с помощью которых осуществляется отработка запасов руды под дном карьеров подземным способом.

7. ОБОСНОВАНИЕ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗРАБОТКИ ГЛУБОКИХ КАРЬЕРОВ В УСЛОВИЯХ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ

В развитии теории и практики отработки глубоких карьеров, заложенных в трудах М. Г. Новожилова, Ю. И. Анистратова, В. А. Щел-канова, В. Г. Селянина, М. С. Четверика, А. Ю. Дриженко, В. И. Усыни-на, С. П. Решетняка и др., разработаны и предложены перспективные технические решения на реконструкцию кимберлитовых карьеров (а. с. 313060) с применением подземных коммуникаций и доработку глубоких горизонтов с внутренним отвалообразованием. В новых технических решениях заложен принцип использования наклонных спиральных стволов с целью приспособления существующих горно-транспортных комплексов карьероа в изменяющихся горно-технических условиях при отстройке бортов с крутыми и устойчивыми углами. Поэтому при применении подземных выработок частично или полностью будут ликвидированы спиральные съезды и другие коммуникации, расположенные на борту карьера. Крутизна и устойчивость бортов будут обеспечены применением созданных новых способов отстройки бортов с применением мерзлотозапщтных покрытий откосов и другими техническими решениями.

С учетом динамики развития карьера при поэтапной разработке выполнена оценка, которая показала, что применение подземных выработок для вскрытия глубоких горизонтов позволит сократить расстояние транспортирования в 1,7 раза при средневзвешенной глубине карьера АК "Алмазы России-Саха", равной 462 м, а переход на формирование бортов с ликвидацией транспортных берм увеличит углы откосов бортов на 7°и тем самым сократит объемы вскрышных работ в контуре открытых разработок в 1,35 раза. Практическое внедрение рекомендаций по данной технологии намечается до 2000 года.

Одним из путей повышения эффективности горных работ является создание технологии отработки глубоких горизонтов с внут-

ренним отвалообразованием, при которой наряду с сокращением объемов внутрикарьерных грузоперевозок улучшается экологическая обстановка в регионе. В основу данной технологии заложено то обстоятельство, что рациональное использование глубинной части рабочей зоны карьера позволяет вначале внутренние отвалы размещать на временных целиках, а по мере перехода карьера на стадию доработки перемещать их последовательно вниз с окончательным складированием вкрышных пород на его дне. Обоснованы объемы создаваемых внутренних отвалов в зависимости от конструктивных параметров бортов карьера, которые рассчитываются по следующей формуле

У„- 0,5-я-¿[((г Г)-Вр/][(г+ксЦг)-Вр„], ав)

где 2 - радиус дна карьера, м; ¡1 - высота глубинного участка карьера, в рабочей зоне которого создаются внутренние отвалы, м; Врл - ширина рабочей площадки, м.

Предложена технология отработки глубоких карьеров в мно-голетнемерзлых породах с крутыми бортами безэтапным способом (пол. решение по заявке N 4849180/03/76722) с применением подземных коммуникаций. В данной технологии использован принцип исключения всех промежуточных этапов отработки карьеров, применения техники и технологии с параметрами, обеспечивающими экологическую безопасность открытых разработок и улучшающими санитарно-гигиенические условия труда на рабочих местах.

Рекомендации по диссертационной работе прошли широкую апробацию на карьерах АК "Алмазы России-Саха". С учетом специфических условий разработки глубоких кимберлитовых карьеров экономический эффект от реализации рекомендаций по диссертационной работе складывается из следующих составляющих эффектов общей решаемой проблемы:

1. Эффективность от внедрения новых технологий отстройки бортов карьера.

2. Эффективность от внедрения схем реконструкции карьеров и рекомендаций по планированию горных работ.

3. Эффективность от внедрения новых разработок при доработке карьеров.

Эффективность от совершенствования технологии отстройки бортов достигается сооружением высоких и устойчивых уступов погашения с предохранительными траншеями, обеспечивающими сокращение объемов вскрыши в контуре открытых разработок, и созданием независимой схемы вскрытия горизонтов благодаря отстройке промежуточных контуров с встречным расположением транспортных и предохранительных берм, позволяющим сократить расстояние транспортирования горных пород от горизонтов карьера. Фактический эффект от внедрения рекомендаций по расконсервации временных бортов получен от сокращения сроков реконструкции карьера на три месяца, от внедрения рекомендаций по планированию горных работ - за счет рациональной схемы отработки горизонтов на временном борту, позволившей сократить объемы грузоперевозок. Экономический эффект от совершенствования схем реконструкции карьеров с применением подземных коммуникаций обеспечивается увеличением углов откосов бортов исключением протяженных спиральных автодорог, использованием мерзлотозащитных покрытий откосов при формировании крутых уступов и созданием транспортной схемы по наикратчайшему пути при использовании экономичного конвейерного транспорта. Экономический эффект от внедрения ноеых разработок на доработку карьеров в условиях водопритоков достигается за счет осушения обводненных рудных блоков совершенствованием технологической схемы их отработки, применения льдопородных целиков, даюшда возможность исключаить потери руды под боргами карьеров и создать надежную гидроизоляцию их дна при переходе на подземные работы. Общий фактический экономический эффект от внедрения рекомендаций диссертационной работы на карьерах АК "Алмазы России-Саха" составил 2,175 млн. руб. в ценах 1989 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Создание технологических основ разработки глубоких ким-берлитовых карьеров в уникальных по сложности горно-технических и экстремальных условиях Севера представляет собой решение крупной научно-технической проблемы. В диссертационной работе

на основании выполненных автором исследований сформулированы и доказаны научные положения, совокупность которых представляет теоретическое обобщение и решение сложной научной проблемы, создание технологических основ разработки глубоких кимберлито-вых карьеров в условиях многолетней мерзлоты. Решение проблемы имеет важное народнохозяйственное значение, так как обеспечивает крупные ресурсосбережения, позволяющие повысить эффективность открытого способа разработки.

Основные выводы и рекомендации сводятся к следующему:

1. Анализ работы глубоких рудных карьеров показывает, что за последние десять лет их глубины достигли 450 м и более при проектных 600-770 м, доля транспортных затрат в общей себестоимости разработки возросла до 60-80%, фактические углы откосов бортов составили 53-55 град. В связи с доработкой карьеров на больших глубинах (500-700 м) оказалась несовершенной методика проектирования, т. к. она осуществлялась по проектам-аналогам на основе экономических показателей, рассчитанных для первых этапов отработки карьеров, возросли потери руды под бортами, которые составили до 15% и более, возникла проблема переходного от. открытой к подземной разработке периода отработки глубо-козалегающего месторождения.

2. Выявлено, что основными факторами, определяющими эффективность работы кимберлитовых карьеров, являются выбор количества и параметров этапов отработки, технология отстройки бортов и схема реконструкции, производительное использование горно-транспортного оборудования, зависящее от горно-технических, организационных и климатических факторов. На основе горно -геометрического и вероятностно-статистического анализов:

2.1. Установлено, что в зависимости от глубины и количества этапов отработки карьеров годовые объемы производства вскрышных работ снижаются от 1,3 до 1,5 раза, размеры рабочих площадок сокращаются от 3,6 до 1,43 раза, объемы работ по реконструкции возрастают от 54,2.до 96%.

2. 2. Оценены приемлемые технологические схемы расконсервации временных бортов карьеров и установлено, что наиболее высокие темпы работ возможны при разносе бортов минимальным количеством рабочих горизонтов (скорость возрастает до 6%)

благодаря широким рабочим площадкам, улучшение режима горных работ наступает при создании максимальной активной рабочей зоны по высоте временного борта, т. к. "пиковые" объемы переходного периода снижаются более чем на 4%.

2.3. Впервые получены корреляционные зависимости изменения себестоимости разработки 1 мЗ горных пород и производительности карьеров от глубины разработок, интенсивности горных работ, мощностей горно-транспортного оборудования при автомобильном и автомобильно-конвейерном транспортах, а также влияние температуры воздуха на себестоимость и показатели использования горно-транспортного оборудования.

3. Установлены объективные взаимосвязи и . закономерности развития карьера с способом отстройки бортов, этапностью разработки и технологией доработки при переходе на подземные работы. Комплексная оценка перечисленных факторов с учетом выявленных закономерностей позволяет выбирать наилучшие решения по условию достижения минимальных суммарных затрат за весь период эксплуатации карьера путем многовариантного анализа возможных решений на этапах формирования конечных и промежуточных контуров, рыбора схем расконсервации временных бортов и доработки.

4. Доказано, что основными факторами, определяющими формирование крутых и устойчивых бортов в многолетнемерзлых породах, являются обеспечение щадящего режима отстройки уступов погашения, совершенствование конструкции нерабочих бортов с использованием новых принципов сооружения транспортных и,предохранительных берм, создание мерзлотозащитных покрытий откосов для повышения устойчивости откосов путем сохранения их в вечномерзлом состоянии. Теоретическими исследованиями обоснованы и практическими разработками предложены:

4.1. Принцип отстройки уступов погашения кумулятивными зарядами и безвзрывными способами, обеспечивающими образование гладкой поверхности откосов и повышение их устойчивости с целью увеличения углов откосов бортов карьера на 4-9 град .

4. 2. Новые технологические схемы формирования бортов карьеров с искусственными бермами, формирование бортов с совмещенной на транспортной берме предохранительной траншеей, обеспечивающие при высоких уступах (более 45 м) безопасные условия

ведения горных работ. Установленные закономерности, определяющие взаимосвязь разработанных технологий отстройки бортов с основными параметрами карьеров, позволяют обосновывать размеры транспортных берм, предохранительных траншей, защитных стенок и валов. Расчеты показали, что увеличение угла наклона при отстройке бортов с высокими уступами и предохранительными траншеями составляет 9-14 град.

4. 3. Искусственные теплозащитные экраны и мерзлотозашит-ные покрытия откосов на основе применения местных дешевых материалов. Установлено, что применение покрытий материалами на сапропелевой основе толщиной 11,5 см-сохранит откосы уступов в мерзлом состоянии, а защитный экран толщиной 10 см из вспененных пластмасс с сетным полотном позволит сократить глубину оттаивания мерзлых пород в 3 раза, ожидаемое увеличение углов откосов погашения составляет 2-4 град.

5. Разработана целиковая технология расконсервации временных бортов, которая в условиях ограниченных горно-технических возможностей и при поэтапном развитии карьерного пространства обеспечиват сокращение объемов работ при совмещении контуров карьера до 20-23%; увеличение средних темпов понижения горных работ по разносу бортов до 15%; снижение ежегодных объемов работ переходного периода до 5% и сокращение сроков реконструкции карьеров до 4 месяцев и более. Для обоснования основных параметров данной технологии созданы:

5Л. Методика расчета основных технологических показателей (размеры рабочих площадок, длины фронта работ, количество и размеры формируемых целиков, количество уступов, находящихся в одновременной отработке и т. д.) развития горных работ для определения скорости расконсервации временных бортов и сроков реконструкции карьеров в соответствии с динамикой формирования и отработки целиков.

5.2. Метод горно-геометрического анализа на продольной развертке временного- борта и методика обоснования режима и календарных планов горных работ, базирующаяся на учете особенностей динамики формирования и отработки целиков и позволяющая определять момент возобновления горных работ на временном бор-

ту, глубину совмещения контуров карьера и обосновывать календарные планы при переходе от одного этапа отработки карьера к другому.

5. 3. Методика поэтапной оптимизации месячных планов горных работ, которая основана на выборе направления отработки горизонтов, обеспечивающей в условиях стесненной рабочей зоны максимальную интенсивность понижения горных работ, обосновании на ЭВМ месячных объемов работ по условию минимизации суммарных годовых затрат и планировании работы горно-транспортного оборудования с полным учетом технологических, организационных и климатических факторов.

6. Примените^но к поэтапной отработке разработана технология отстройки промежуточных контуров с встречным расположением наклонных транспортных и предохранительных берм, которая осуществляет одновременное и независимое развитие фронта горных работ на горизонтах от нескольких участков и позволяет повысить интенсивность отработки горизонтов на 10% и сократить расстояние транспортирования горных пород на 0,3 км.

7. Исследованиями установлено, что в условиях притока в карьер подмерзлотных агрессивных рассолов и существования внешней системы осушения и внутрикарьерного водоотлива эффективность горных работ также существенно зависит от правильного выбора технологии доработки карьеров и схемы развития работ на рабочих горизонтах. Новыми разработками и выполненными исследованиями:

7.1. Доказана принципиальная возможность использования и установлены основые параметры льдопородной технологии, которая в период доработки карьеров обеспечивает надежную гидроизоляцию дна карьера \и отработку прибортовых целиков руды (потери до 15%) под защитой льдопородных массивов с применением существующего горнотранспортного оборудования карьеров.

7. 2. Обоснована целесообразность отработки глубоких водоносных горизонтов карьеров путем ориентирования фронта 'работ и ускоренного обнажения контактов рудных тел с созданием глубоких трещин в них для дренажа воды.

8. Применительно к кимберлитовым карьерам установлена принципиальная возможность и экономическая целесообразность

применения:

- подземных выработок, обеспечивающих сокращение расстояния транспортирования горных пород в среднем в 1,7 раза и отработку карьеров безэтапным способом, создающий достаточные размеры рабочих плошадок для применения комбинированных видов транспорта горной массы;

- технологии доработки карьеров с внутренним отвалообра-зованием.

9. Основные результаты исследований, выполненных в диссертационной работе, достаточно широко внедрены в практику проектирования и эксплуатации карьеров. Разработаны и внедрены новые способы отстройки бортов карьеров и схемы расконсервации временных бортов при этапной отработке, методики планирования горных работ в сложных горно-технических условиях.

Общий фактический экономический эффект от использования результатов диссертационной работы на карьера АК "Алмазы России-Саха" составил 2,175 млн. руб. Кроме того, рекомендуемые технологии обеспечат улучшение экологической обстановки в 1,72 раза по сравнению с существующей технологией.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Андросов А. Д. Месячное планирование вскрышных работ на карьерах кимберлитовых трубок // Тез. докл. Всес. научн. конф. "Организация и управление горным производством". - М., 1978. -С. 75.

2. Андросов А. Д. , Колотовкин Б. И. Текущее планирование горных работ при реконструкции карьеров кимберлитовых трубок // Сб. Колыма. - 1980. - N 1. - С. 21-22.

3. Андросов А. Д. , Николаев К Г. Планирование работы мощной горно-транспортной техники на карьерах объединения "Яку-талмаз" // Сб. Колыма. - 1981.- N 9. - .С. 19-21.

4. А. с. 621875 СССР МКИ Е 21 С 41/02. Способ отстройки нерабочего борта карьера / Александров И. Е , Андросов А. Д., Разживин В. М. - 1976. - Опубл. в БИ 30.08. 78, N 32.

5. А. с. 800369 СССР МКИ Е 21 С 41/00. Способ расконсервации временных бортов карьеров / Андросов А. Д., Александров

И. Н., Дерешеватый O.E. - 1979.- Опубл. в БИ 30.01.81, N 4.

6. Андросов А. Д., Разживин В. М. , Николаева М. И. Корреляционный анализ факторов, влияющих на себестоимость вскрышных работ карьеров объединения "Якуталмаз" // Сб. Колыма. - 1983. -N 10,- С. 17-19.

7. Андросов А. Д. Влияние последовательности расконсервации временных бортов карьеров на эффективность этапной отработки кимберлитовых трубок // Бюллетень научн. -техн. инф. Геомеханические процессы при разработке полезных ископаемых Севера. - Якутск, ЯФ СО АН СССР, 1983. - С. 11-16.

8. Андросов А. Д. Расконсервация временных бортов кимберлитовых карьеров // Бюллетень научн. -техн. инф. - Свердловск, 1984. - N 385. - 84.

9. Андросов А. Д., Александров И. Н., Дерешеватый О. Е. Применение ЭВМ для проектирования и текущего планирования кимберлитовых карьеров // Материалы Республиканской научн. -техн. конф. "САПР-карьер",- Ташкент, 1984.- С. 72-73.

10. Андросов А. Д. Учет фактора сезонности при оптимизации текущих планов горных работ // Сб. Колыма,- 1985.- N 11.- С. 11-14.

11. Андросов А. Д. Методика обоснования режима и календарных планов горных работ при реконструкции карьеров // Сб. Колыма. - 1986,- N 6,- С. 17-19.

12. Андросов А. Д. Возобновление добычных работ при реконструкции глубоких карьеров // Цветная металлургия. - 1987. -N 5. - С. 26-27.

13. Андросов А. Д. Развитие рабочей зоны глубокого карьера во время реконструкции // Сб. Колыма, - 1987.- N 11.- С. 23-25.

14. Андросов А. Д., Акишев'А. Е Совершенствование технологии горных работ при доработке глубоких карьеров // Сб. Колыма. - 1987.- N 12.- С. 27-29.

15. Андросов А. Д. , Акишев А. Е , Дерешеватый О. Е. , Монтя-нов С.Е Совершенствование критерия оценки при обосновании режима горных работ в период реконструкции глубоких карьеров Якутии // Сб. Колыма. - 1988. - N 8. - С. 13-15.

16. Андросов А. Д. Особенности ведения горных работ в сложных гидрогеологических условиях глубоких карьеров Якутии //

Сб. 'Колыма. - 1988. - N 10. - С. 3-5.

17. А. с. 1633125 СССР МКИ Е 21 С 41/00. Способ защиты подземных работ от проникновения вод / Андросов А. Д., Валуев Е. П., Сердюкова Е. Ю., Коробка А. И. ' и др. - 1990. - Опубл. в БИ 07.03.91, N 9.

18. А. с. -1707201 СССР МКИ Е 21 С 41/26.37/00. Способ взрывной отработки уступов / Щукин В. П , Андросов А. Д. , Иванов Ю. а, Саввинов К. К и др. - 1991,- Опубл. в БИ 23.01.92, N 3.

19. Киржнер Ф. М., Гринев КГ.', Лось И. Е, Андросов А. Д. и др. Основные направления регионального ЛТП в горнодобывающей промышленности Северо-Востока СССР // Тр. -ИЭКОПР Севера СО АН СССР. - 1990.- С. 20-31.

20. Пат. 1792519 СССР МКИ Г 42 В 1/02. Скважинный заряд для контурного взрывания / Иванов К1 К , Щукин В. П., Андросов

A. Д., Саввинов К. К и др. - 1990.- Опубл. в БИ 30.01.93, N 4.

21. Пол. решение по заявке N 4849180/03/76722. Способ безэтапной отработки глубоких кимберлитовых месторождений / Андросов А. Д., . Яковлев В. Л , Щукин Е П., Иванов Ю. Н. и др. - от 27.12. 91.

22. Андросов А. Д., Саввинов К. Е К вопросу оптимизации угла наклона борта карьера при разработке подмерзлотной зоны месторождений кимберлитовых трубок // Оптимизация горных работ и фрагменты САПР. - Новосибирск, 1990.- С. 88-90. (Сб. научн. тр. Института горного дела СО АН СССР).

23. Яковлев В. Л. , Щукин К Е , Слепцов А. Е., Андросов А. Д. Совершенствование открытой разработки месторождений с применением подземных коммуникаций на карьерах ПНО "Якуталмаз" // Сб. научн. тр. Института горного дела Севера СО РАЕ - Якутск, 1990. - С. 6-7. '

24. Андросов А. Д. Развитие технологии реконструкции глубоких карьеров Якутии. - Новосибирск: Наука, 1991.- 102 с.

25. Яковлев К Л , Андросов А. Д., Щукин В. Е , Ларионов

B. Р. и др. Технология разработки глубоких карьеров Севера в условиях мерзлоты и агрессивных вод // Материалы международного симпозиума "Проблемы открытой разработки глубоких карьеров". - Удачный, 1991. - С. 45-51.

26. Андросов А. Д. , Саввинов К Е Основные закономерности развития сверхглубокого кимберлитового карьера при многоэтапной отработке // Сб. Колыма - 1992. - N 4. - С. 20-22.