ЯКУТСКИЕ КИМБЕРЛИТЫ
Владимир Клишин,
доктор технических наук, ИГД СО РАН
Усложняются проблемы подземной отработки кимберлитовых
месторождений Республики Саха.
Четвертая часть мировой добычи алмазов приходится на
алмазодобывающую промышленность этой республики, что составляет
основу ее современной экономики. Разработка алмазных
месторождений ведется, в основном, открытым способом в
чрезвычайно сложных геологических и геокриологических условиях,
характеризующихся наличием многолетнемерзлых пород и
высоконапорных сильноминерализованных рассолов. Мировая теория и
практика горного дела не имеет опыта разработки месторождений с
подобным комплексом проблем.
В настоящее время произошло значительное увеличение глубин
открытых горных работ, достигнуты предельные их размеры и, как
следствие, — еще больше осложнились горно-технические факторы
из-за суровых климатических условий, загазованности карьеров от
выхлопных газов автотранспорта, продуктов буровзрывных работ и
сероводородных испарений, что привело к долговременным простоям
карьеров. Большая протяженность транспортных путей, значительные
объемы вскрышных работ — основные факторы, определяющие высокую
себестоимость добычи руды. Стремление уменьшить вскрышные работы
за счет увеличения крутизны откосов (70–80 градусов) ведет к
аварийности карьеров. При ведении горных работ на карьере "Мир"
был вскрыт водоносный горизонт и, таким образом, возникла новая
проблема откачки и захоронения рассолов.
Все это свидетельствует о неизбежности перехода на подземные
горные работы, а стратегической концепцией развития подземных
горных работ предусматривается отработка кимберлитовых руд на
основе изыскания новых технических и технологических решений,
обеспечивающих минимальные потери и разубоживание (засорение)
ценного полезного ископаемого. Как говорят сами
производственники, технология должна предусматривать выемку "под
метелку".
Учитывая комплексность проблем, возникающих при переходе от
открытых на подземные работы, в Сибирском отделении РАН
подготовлен интеграционный проект "Создание научных основ и
технологий подземной добычи кимберлитовой руды в зоне многолетней
мерзлоты". В проекте использовался научный задел институтов:
Горного дела, Минералогии и петрографии (Новосибирск), Горного
дела Севера (Якутск), а также опыт решения подобных задач в
учебных вузах России — Якутском государственном университете,
Тульском политехническом институте. И, естественно, —
собственный опыт специалистов "Якутпроалмаза". Реализация проекта
предполагается через акционерную компанию "АЛРОСА".
Старые секреты на "свежую голову"
Ясно, что многие сведения о кимберлитовых месторождениях и
проблемах их освоения были известны только узкому кругу
специалистов, а обстановка секретности делала опыт
алмазодобытчиков недоступным для широкой научной общественности.
Только в последние годы появились обстоятельные публикации, из
которых можно заключить, что при корректном экономическом
обосновании рациональная глубина якутских карьеров могла быть
значительно меньше. Это было вызвано, в том числе, затратной
экономикой. Никто не думал о снижении сметной стоимости проектов.
При этом подрядчик стремился к удорожанию проекта, а заказчик
рассчитывался не своими, а государственными средствами. Однако в
целом добыча руды такой ценности всегда была рентабельной.
Существующими проектами предусматривается отработка относительно
небольших по площади якутских трубок до значительных глубин. Для
примера отметим, что в настоящее время отработка самой крупной
трубки "Премьер" проектировалась до глубины 760 м (реально
отработали около 200 м), а одно из крупнейших железнорудных
месторождений Кируна в Швеции после открытой отработки в 200 м
переведено на подземный способ. К сожалению, в мировой практике
отсутствуют примеры подземной отработки кимберлитов, близкие к
условиям якутских месторождений.
В алмазной провинции Якутии встречаются кимберлитовые трубки,
погребенные под мощным слоем многолетнемерзлых осадочных пород.
Разработка верхней части таких месторождений открытым способом
экономически нецелесообразна. Кимберлитовые трубки "Мир" и
"Интернациональная", выходя на поверхность, пересекают мощный (до
200м) водоносный горизонт, содержащий агрессивные
хлоридно-натриевые рассолы с растворенным сероводородом.
Недавно по телевидению показывали сюжет о завершении работ на
трубке "Мир". Демонстрировался последний взрыв, и с этого момента
открытые горные работы окончательно прекращены. Началась
подготовка рудника к подземным способам отработки.
На трубке "Интернациональная" уже ведутся подземные горные работы
под водоносным горизонтом. Ряд трубок имеют форму, близкую к
телам вращения, в то время как трубка "Айхал" сильно вытянута в
одном из направлений.
Разнообразие условий залегания кимберлитовых трубок, их качества,
размеров и форм требуют индивидуальных технических решений и
геомеханических обоснований. К тому же — с учетом охраны недр,
окружающей среды и промышленной безопасности.
По данным мировой практики, в горнорудной промышленности таких
стран, как Австралия, Италия, Канада, Россия, США, Чили, — при
подземной добыче руд черных и цветных металлов используется ряд
вариантов систем разработки с обрушением и торцевым выпуском.
Один из наиболее известных среди них — шведский вариант системы
подэтажного обрушения. Эта система применяется около 80 лет,
имеет чрезвычайно высокий уровень технических средств и является
самой высокопроизводительной. Именно шведскую систему предлагают
в разных вариантах для внедрения на алмазоносных месторождениях
Якутии. Однако можно с уверенностью сказать, что по показателям
потерь руды в недрах и разубоживания система подэтажного
обрушения с торцевым выпуском самая неблагоприятная (потери руды
в недрах составляют 12–15%, а разубоживание доходит до 30–35%).
Таким образом, в недрах сразу будет потеряно до 15 процентов, а
остальная руда, поступая на обогащение, — содержать до 35
процентов пустой породы, которую вновь надо отделить от руды.
Многочисленные исследования геомеханических процессов,
происходящих при торцевом выпуске руды под обрушенными породами,
свидетельствуют о невозможности изменения параметров потерь и
разубоживания без принципиального изменения принятой технологии.
Используя известный опыт отработки алмазных месторождений в ЮАР,
а именно, трубки "Финш", появились предложения по отработке
трубок с открытым очистным пространством и с обрушением вмещающих
пород также с торцевым выпуском руды. Проще говоря,
предполагается, что часть отбитой руды будет выпускаться сразу, а
оставленную часть (замагазинированную) предполагается выпустить
при выемке нижнего слоя (в том числе под обрушенными породами).
Такое решение хорошо зарекомендовало себя в условиях ЮАР. Однако,
на наш взгляд, эти решения совершенно неприемлемы в условиях
сурового климата Якутии. Выпуск руды из-за ее смерзания
невозможен, особенно в неблагоприятный сезонный период. Каждый из
нас видел, что, даже при незначительном изменении температуры,
разрушенный на дороге лед вновь превращается в единую массу, если
его своевременно не убрать. В момент сезонных изменений
температуры, разрушенная руда, имеющая минусовую температуру,
летом превращается в однородную массу. Если выпуск этой руды
предполагается в зимний период, то для этого потребуется
очередное ее разрушение, что технически невозможно, так как руда
находится в труднодоступном месте. При отбойке руды зимой
технологически предусматривается проветривание выработок
подогретым воздухом, который поступает к месту отбойки, и все
процессы вновь повторяются. Любое изменение температуры (а это
происходит даже за сутки — дневная температура выше, чем ночная)
приводит к смерзанию отбитой руды. Создание породной подушки не
влияет на ситуацию в целом.
В таких климатических условиях температурный фактор — один из
определяющих в оценке устойчивости обнажений, выработок и
сооружений. Следует отметить, что многолетнемерзлые горные породы
простираются на глубину до 700 м. Переход на подземную отработку
кимберлитовых трубок под водоносным слоем с повышенным
обводнением, не позволяет вести работы с обрушением руды и
вмещающих пород, требует создания барьерного целика между
водоносным слоем и первым подземным горизонтом. В таких условиях
подземную отработку первой очереди следует вести с закладкой
выработанного пространства и без применения крупномасштабных
массовых взрывов, чтобы избежать перепуска водоносного слоя.
Неуправляемый транзит воды через обрушенные породы или
замагазинированную руду в районе ведения очистных работ создает
опасность аварийных (не исключается — катастрофических) прорывов
воды и водонасыщенных глин. Возможно также смерзание участков
пород и руды с неуправляемыми их зависаниями. Все это ведет к
неуправляемому процессу выемки и обрушения пород и руды.
Новый взгляд и предложения
Алмазный интеграционный проект СО РАН направлен на объединение
специалистов, занимающихся исследованиями и созданием
высокоэффективных технологий отработки алмазных месторождений,
что позволит существенно ускорить проведение фундаментальных
исследований и довести их до реализации на алмазных рудниках
Республики Саха (Якутия). Для ясности можно коротко представить
работы участников проекта.
В ИГД СО РАН сложилась известная школа геомехаников, объединяющая
исследователей фундаментальной научной проблемы освоения
месторождений полезных ископаемых в условиях больших глубин,
которую длительное время возглавляет академик М.Курленя
(руководитель проекта). Используя богатый опыт экспериментальных
и теоретических исследований в прошедшем году, его ученики начали
крупномасштабные натурные наблюдения за геомеханической
обстановкой на рудниках "Интернациональный" и "Айхал". Проводятся
комплексные исследования изменения напряженно-деформированного
состояния (НДС) горного массива. Для получения предварительной
оценки НДС массива в сложившейся горно-геологической ситуации и
для анализа изменений его характера на различных этапах ведения
горных работ, проводятся численные расчеты, что позволяет, в
комплексе с инструментальными и визуальными наблюдениями,
прогнозировать изменения геомеханической ситуации и учитывать это
при принятии технических решений. Проведенные исследования
показали эффективность предложенных методов и средств для ранней
диагностики и контроля развития потенциально опасных зон
сдвижения в процессе выемки рудных запасов.
Тепловой режим горных выработок подземных рудников в условиях
Севера является одним из факторов, определяющих
производительность, безопасность и охрану труда горнорабочих.
Прогноз теплового режима на этапе проектирования должен быть
одним из элементов научного сопровождения проектов. В ИГД Севера
СО РАН проводятся уникальные исследования по изучению тепловых и
механических процессов в многолетнемерзлых породах, обоснованию
тепломассопереноса, схем и способов теплового режима горных
выработок в подземных геотехнологиях. Разрабатываются методы и
средства управления массивом покрывающих пород в связном
состоянии (второй руководитель проекта — доктор технических
наук, профессор В.Изаксон). В основу исследований положены
математические модели теплообмена рудничного (шахтного) воздуха и
стенок горных выработок, учитывающие фазовые переходы влаги во
вмещающих породах; продольные тепловые потоки во вмещающих
породах; наличие массообмена (перехода влаги от воздуха к
поверхности выработки и обратно) на стенках выработки.
Для обоснования теории создания и эксплуатации горной и
транспортной техники при подземной отработке кимберлитовых
месторождений в различных технологических схемах требуется
учитывать кондиционность запасов и размеры кимберлитовых трубок.
В этой части значительный опыт накоплен в Институте минералогии и
петрографии СО РАН (ответственный исполнитель — доктор
геолого-минералогических наук Н.Похиленко). Выполненный
сравнительный анализ характеристик, относящихся к главным
индикаторам минералов кимберлитов, позволяет корректировать
первоочередность и стратегию подземной отработки месторождений.
Такой комплекс работ позволяет обоснованно подойти к созданию
научных предложений подземной отработки кимберлитовых
месторождений. В начале 60-х годов ИГД СО РАН предложил для
подземной отработки рудных месторождений принципиально новые
технологические решения и вибровыпуск руды, что позволило в 2
раза увеличить производительность труда на рудниках Таштагола в
Горной Шории. Эта работа была отмечена Государственной премией
СССР, а также другими правительственными премиями и наградами.
Анализ опыта работы и современного состояния технологии выпуска
руды свидетельствуют, что без коренного изменения технологии
значительно улучшить показатели извлечения руды не представляется
возможным. Это в первую очередь относится к системам разработки
кимберлитовой руды, имеющей особую ценность.
Дальнейшие исследования в последние годы проводятся в двух
направлениях: применение буровзрывной технологии при отбойке и
одновременном дозированном вибровыпуском замагазинированной руды;
использование механизированных комплексов для размещения
механизмов по добыче руды, ее транспортировки и поддержания
безопасного рабочего пространства.
Сущность первого направления заключается в обосновании и
разработке новых технологических систем отбойки и вибрационного
выпуска руды, позволяющих образовать единый поток руды по всему
сечению. Это обеспечивает высокую производительность труда,
максимальное извлечение руды и снижение ее разубоживания при
минимальной себестоимости руды при подземных работах. Применение
такой технологии возможно для погребенных кимберлитовых трубок не
выходящих на поверхность. Чтобы избежать неуправляемого обрушения
налегающих пород, мощность которых на трубке "Ботуобинская"
достигает 100 м, предложена специальная технология опускания
кровли крупными блоками и обоснован ряд вариантов ее
осуществления.
Второе направление предусматривает использование формы рудных
тел, близких к телам вращения, и на этой основе разработаны
высокомеханизированные технологии непрерывной спиральной выемки
без применения взрывных работ, что обеспечивает сохранность
кристаллов. Предложенная концепция ведения подземных горных работ
основана на результатах внедрения высокопроизводительных
механизированных комплексов на месторождениях пластового типа —
угольных, соляных и марганцевых месторождений. Это обеспечило
высокую степень механизации и безопасности всех процессов, а
также способствовало увеличению производственных показателей.
Оба направления не имеют аналогов в отечественной и мировой
практике, о чем свидетельствуют 6 патентов РФ на изобретения,
полученные в 2000 году, из которых 5 — на способы отработки
кимберлитовых месторождений.
В настоящее время идет интенсивная работа по выработке концепции
проекта и намечаются конкретные программы исследований.
стр.
|
