ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

Оптимизация конструкций бортов карьеров в массивах скальных тектонически-напряжённых пород

Рекомендуемая область пременения

Горнодобывающие предприятия, ведущие разработку полезных ископаемых открытым способом в массивах скальных тектонически-напряжённых пород.

Назначение, цели и задачи проекта

Оптимизация конструкций бортов карьеров с целью прироста запасов, пригодных к выемке, сокращение объёмов вскрыши и, как следствие, улучшение технико-экономических показателей работы горнодобывающего предприятия, ведущего разработку полезных ископаемых открытым способом в массивах скальных тектонически-напряжённых пород.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Существующие в настоящее время теоретические подходы к геомеханическому обоснованию возможности увеличения углов откосов бортов карьеров, как правило, не учитывают реального напряженно-деформированного состояния массивов скальных пород, полагая, что оно обуславливается только собственным весом вышележащих пород, и иерархично-блочным строением массивов скальных пород, полагая равным влияние структурных нарушений различного ранга на устойчивость  бортов карьеров в целом и отдельных уступов. Исследования ограничиваются созданием инженерно-геологических моделей месторождения на базе поверхностной съемки элементов залегания структурных неоднородностей зачастую без их ранжирования. Напряженное состояние массива скальных пород полагается обусловленным только его собственным весом. На основе полученных данных делается вывод о предельном угле откосов бортов карьеров на конечном контуре, который часто не превышает угол естественного откоса раздробленной массы скальных пород 30°-40°. В результате в полной мере не используется реальный ресурс устойчивости скальных массивов. Вследствие этого значительно возрастает объем вскрышных работ, отработка месторождений осуществляется с низкой эффективностью. 

Основными геомеханическими особенностями массива скальных пород являются: выраженная иерархично-блочная структура, наличие систем различно ориентированных поверхностей ослабления, соответствие напряженно-деформированного состояния в большинстве случаев гравитационно-тектоническому типу. Отсюда следует, что необходимость перехода к новым представлениям об устойчивости бортов и уступов карьеров обусловлена, прежде всего, переходом от несвязной, малопрочной среды с отсутствием выраженных структур к иерархично-блочной среде; от гравитационного к гравитационно-тектоническому типу напряженно-деформированного состояния.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Перспективным решением данной проблемы является реализация разработанной Горным институтом КНЦ РАН концепции оптимизации конструкций бортов карьеров за счет учёта реальных свойств, структурных особенностей и напряжённого состояния массивов скальных пород глубоких горизонтов рудных месторождений.

Общая концепция определения оптимальных конструкций бортов и уступов карьеров в скальных массивах заключается в следующем. Сначала производится разработка инженерно-геологической и геомеханической моделей месторождения. Инженерно-геологическая модель месторождения должна состоять из серии инженерно-геологических классификаций и районирования массива пород по различным признакам, таким, как физические свойства горных пород, структурная нарушенность массива, параметры его (массива) естественного напряжённо-деформированного состояния. В результате разработки инженерно-геологической и геомеханической моделей исследуемого месторождения становятся известны:

характеристики распределения физических свойств горных пород с выделением характерных представительных литотипов;

структурная нарушенность массива пород с обязательным определением геометрических характеристик поверхностей ослабления и их ранга;

естественное напряженно-деформированное состояние массива пород;

инженерно-геологическая классификации пород;

инженерно-геологическое районирование массива пород.

 Затем разрабатываются частные модели расчёта напряженно-деформированного состояния массива пород в окрестности карьерной выемки, нарушенной зоны в приконтурной зоне карьера и собственно бортов и уступов карьера.

Указанные свойства и параметры могут быть получены традиционными методами инженерно-геологического исследования массивов горных пород. Это  отбор представительных проб горных пород; определение физико-механических свойств путём лабораторных и натурных испытаний различных объёмов пород; картирование структурных неоднородностей с выделением систем и порядков неоднородностей; определение физико-механических характеристик структурных неоднородностей.

Параметры нарушенной зоны могут быть получены прямыми наблюдениями, в том числе с использованием фото- или телевизионной съёмки, и геофизическими методами (ультразвуковой каротаж скважин, сейсмическая томография, реометрия, глубинные реперы и др.).

Реализация предложенной методики геомеханического обоснования устойчивых параметров бортов и уступов карьеров на практике состоит в:

- выборе места расположения опытно-промышленного участка (ОПУ), представительного для данного предприятия, на основе анализа имеющихся данных о геомеханическом состоянии породного массива;

 - разработке проекта ОПУ, предусматривающего проведение в его пределах цикла опытно-промышленных и экспериментальных работ;

- анализе геомеханического состояния всего массива пород, включающего в себя карьерную выемку, на базе опыта, полученного при проведении опытно-промышленных и экспериментальных работ в пределах ОПУ;

 - разработке регламента на проектирование конечного контура карьера после завершения основных опытно-промышленных и экспериментальных работ;

 - составлении проекта конечного контура карьера, учитывающего особенности массива пород;

 - разработке комплексной системы контроля устойчивости бортов и уступов карьера на конечном контуре.

Общая последовательность выполнения необходимых этапов работы представлена на рисунке 1.

В результате обосновывается возможность формирования бортов карьеров в массивах скальных тектонически-напряжённых пород с использованием высоких (высотой первые десятки метров) вертикальных уступов и генеральным углом откоса бортов карьеров 45-75° в зависимости от конкретных условий.

В карьере рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК», Ньоркпахкском карьере Восточного и карьере Центрального рудника ОАО «Апатит» организованы опытно-промышленные участки, в пределах которых начато формирование бортов карьеров на базе разработанного подход.

 Рис. 2. Участок борта карьера рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК», сформированный с применением вертикальных откосов уступов высотой 24 м и 30 м

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Экономический эффект от внедрения разработанных рекомендаций складывается из нескольких взаимоувязанных составляющих.

1. В результате оптимизации параметров карьеров происходит уменьшение в них общего объёма вскрыши.

2. В открытую отработку  вовлекаются дополнительные весьма значительные запасы полезного ископаемого, в результате чего может быть существенно увеличен срок существования карьера и отодвинуты сроки строительства подземного рудника. Это ведет к сокращению  соответствующих инвестиций.

Прямой  экономический эффект (без приведения во времени) от уменьшения объёма вскрыши, например, при постановке в конечное положение нижней части борта карьера рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» высотой 400 м с генеральным углом наклона в среднем 55° вместо 45° по первоначальному проекту может составить ориентировочно 1,8 млрд. руб. в ценах 2007 года.

Инвестиции на расчётный год – 304,8 млн. руб.; срок окупаемости – 3,2 года.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Повышение углов наклона бортов глубоких карьеров на каждый градус при прочих равных показателях приводит к снижению объёмов работ по выемке пустых пород на 4%, соответственно снижаются трудозатраты на добычу запланированного объёма руды: на вскрышных работах уменьшаются парки буровых станков, экскаваторов, автосамосвалов и вспомогательной техники и сокращается штат работающих на этой технике (обычно - в три смены в сутки и при непрерывной рабочей неделе).

Вышеперечисленная техника не будет потреблять соответствующее количество дизельного топлива, других горюче-смазочных материалов (ГСМ), электроэнергию (электрические экскаваторы,  буровые станки, электровозы).

При меньших объёмах вскрышных работ снижаются площади земель, отчуждаемых под размещение отвалов, уменьшается вредное воздействие отвалов на грунтовые воды и атмосферу.

При увеличении границ карьера в отработку вовлекаются дополнительные, весьма значительные запасы полезного ископаемого, в результате чего  существенно увеличивается срок эксплуатации карьера и отодвигаются сроки строительства подземного рудника, что ведёт к сокращению соответствующих инвестиций. Кроме того, увеличение объёмов добычи руды из карьера  позволяет не строить дополнительный рудник по добыче соответствующего полезного ископаемого, необходимого для удовлетворения потребностей общества, что значительно сократит трудо- и энергозатраты на получение минерального сырья и  обеспечит природосбережение.

Новые потребительские свойства продукции

Устойчивый конечный контур карьера, оптимизированный с точки зрения геомеханики.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Единые правила безопасности (ЕПБ), правила безопасности при производстве горных работ открытым способом и другие нормативные и регламентирующие документы горной промышленности.

Стадия и уровень разработки

К настоящему времени на предприятиях, модернизирующих производство в соответствии с предлагаемой технологией, последовательно выполнены следующие стадии работ: сформулирована концепция возможности оптимизации конечного контура исследованного карьера; обоснованно выбрано место и разработан проект опытно-промышленного участка; разработан регламент на перепроектирование конечного контура исследованного карьера.
В карьере рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК», Ньоркпахкском карьере Восточного и карьере Центрального рудника ОАО «Апатит» организованы опытно-промышленные участки, в пределах которых начато формирование бортов карьеров на базе разработанного подхода.

Предлагаемые инвестиции

6 млн. руб.
в 3 этапа.
I этап – 1 млн.руб;
II этап – 2 млн.руб.;
III этап – 3 млн.руб.

Рынки сбыта

Горнодобывающие предприятия во всём мире, ведущие разработку полезных ископаемых открытым способом в массивах скальных тектонически-напряжённых пород.

Возможность и эффективность импортозамещения

Нет

Возможность выхода на мировой рынок

Предложенная методика геомеханического обоснования устойчивых параметров бортов и уступов карьеров в достаточной степени соответствует особенностям скальных высокопрочных массивов и может быть применена в соответствующих условиях на различных предприятиях, ведущих горные работы открытым способом.

Срок окупаемости (в месяцах)

60

Дата поступления материала

25.05.2007