способ открытой разработки месторождений полезных ископаемых

Формула изобретения

1. Способ открытой разработки месторождений полезных ископаемых, согласно которому сооружают гидроотвал, карьерное поле вскрывают котлованом, карьер заполняют водой и монтируют в нем плавающее землесосное устройство с рыхлителем, производят выемку карьерного поля, транспортирование полученной горной массы на поверхность пульпопроводом и помещение пустой породы в гидроотвал, отличающийся тем, что предварительно карьерное поле размечают на горизонтальные слои (горизонты) и производят выемку карьерного поля горизонтальными слоями сверху вниз с понижением уровня воды вслед за отработкой слоев, поддерживая зеркало воды на уровне кровли текущего эксплуатационного горизонта.

2. Способ открытой разработки месторождений полезных ископаемых по п.1, отличающийся тем, что водный баланс для поддержания зеркала воды на уровне эксплуатационного горизонта поддерживают за счет возвращения в карьер воды из гидроотвала.

3. Способ открытой разработки месторождений полезных ископаемых по п.1, отличающийся тем, что для отработки очередного слоя его зарезку осуществляют котлованом, который затем расширяют, а отработку горизонтальных слоев осуществляют путем сплошной выемки плавающим землесосным устройством с рыхлителем системой заходок.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при разработке открытым способом месторождений полезных ископаемых при крутонаклонном, до вертикального, падении ограниченных в плане рудных тел, например, алмазоносных кимберлитовых трубок, в условиях их интенсивного обводнения.

Известен способ открытой разработки месторождений полезных ископаемых, согласно которому сооружают гидроотвал, карьерное поле вскрывают котлованом, карьер заполняют водой и монтируют в нем плавающее землесосное устройство с рыхлителем, производят выемку карьерного поля, транспортирование полученной горной массы на поверхность пульпопроводом и помещение пустой породы в гидроотвал [1].

Известный способ может быть применен в сложных природных и горнотехнических условиях для разработки алмазоносных кимберлитовых трубок, сложенных кимберлитами низкой крепости.

Однако указанный выше способ требует применения рабочего органа большой длины (стрелы или другого устройства, доставляющего рабочий орган землесосного устройства к забою под водой (при применении плавающего землесосного устройства с рыхлителем), или черпаковой рамы и черпаковой цепи (в случае дражной разработки)). Это ведет к росту габаритов и металлоемкости оборудования, потере маневренности и надежности в работе, что, в конечном счете, приводит к потере эффективности разработки.

Кроме того, известный способ ведет к обводнению карьерного поля и требует переделки выпускаемого промышленностью стандартного оборудования.

Технический результат, для достижения которого направлено данное техническое решение, заключается в осушении пород карьерного поля и подготовке окружающего горного массива для реконструкции карьера и перехода на следующий этап его развития с использованием систем разработки без заполнения выработок водой одновременно с разработкой месторождения, что ведет к уменьшению энергозатрат и капитальных затрат на осушение месторождения и обеспечивает разработку месторождения в короткие сроки и с минимальными начальными капиталовложениями, а также в применении стандартного оборудования без его переделки.

Указанный результат достигается за счет того, что в способе открытой разработки месторождений полезных ископаемых, согласно которому сооружают гидроотвал, карьерное поле вскрывают котлованом, карьер заполняют водой и монтируют в нем плавающее землесосное устройство с рыхлителем, производят выемку карьерного поля, транспортирование полученной горной массы на поверхность пульпопроводом и помещение пустой породы в гидроотвал, предварительно карьерное поле размечают на горизонтальные слои (горизонты) и производят выемку карьерного поля горизонтальными слоями сверху вниз, причем при отработке слоев поддерживают зеркало воды на уровне кровли текущего эксплуатационного горизонта. Водный баланс для поддержания зеркала воды на уровне эксплуатационного горизонта поддерживают за счет возвращения в карьер воды из гидроотвала. Для отработки очередного слоя его зарезку осуществляют котлованом, который затем расширяют плавающим землесосным устройством, а отработку горизонтальных слоев осуществляют путем сплошной выемки системой заходок.

На фиг.1 показан общий вид карьера в плане и расположение землесосного устройства и оборудования; на фиг.2 - разрез по А-А.

Реализацию предлагаемого способа осуществляют следующим образом. Предварительно выполняют исследования физико-механических свойств покрывающих, вмещающих пород и пород рудного массива и проверяют их способность к разработке в зоне обводнения методами гидромеханизации вследствие их низкой прочности и слабой связности.

С учетом выполненных исследований гидрогеологических условий месторождения и физико-механических характеристик пород карьерного поля 1, разработку карьера на рудном теле осуществляют путем подводной выемки горной массы плавающим землесосным устройством 2, оснащенным рыхлителем (например, фрезерного типа), совмещенным с погружным насосом. С учетом характеристик применяемого землесосного снаряда карьерное поле размечают на горизонтальные слои (горизонты) 4, 5 и производят выемку карьерного поля 1 горизонтальными слоями сверху вниз. Для отработки очередного слоя его зарезку осуществляют котлованом 6, который затем расширяют путем проходки тем же землесосным снарядом 2 разрезной выработки, обеспечивающей дальнейшую отработку горизонта. Отработка текущего эксплуатационного горизонта осуществляют заходками 7, аналогичными дражным ходам. Размещение ходов выбирается так, чтобы обеспечить полную выемку горной массы по всей площади карьера или его части по заданной отметке. Горная масса по пульповоду 8 транспортируется в гидроотвал (на чертеже не показан) - при разработке перекрывающих или вмещающих пород, или на обогатительную фабрику - при разработке рудного массива. Перед складированием или обогащением гидросмесь сгущают, сливную воду в объемах, необходимых для поддержания требуемого по технологии уровня воды в карьере, возвращают для повторного использования в режиме замкнутой циркуляции.

Переход на отработку очередного текущего эксплуатационного горизонтального слоя (эксплуатационного горизонта) производится с одновременным понижением уровня воды в карьере, причем при отработке слоев поддерживают зеркало воды 9 на уровне кровли 10 текущего эксплуатационного горизонта 5.

Таким образом, уровень воды в карьере понижается в соответствии с понижением горных работ, обеспечивая оптимальные условия работы землесосного устройства, а землесосное устройство с рыхлителем выполняет функции не только горной машины, разрабатывающей карьер, но и насосной установки, обеспечивающей откачку воды, мешающей ведению горных работ, вплоть до осушения карьера на последних этапах работы землесосного устройства.

Борт карьера 11 отстраивают с формированием горизонтальных предохранительных берм безопасности, обеспечивающих безопасные условия работы находящегося ниже землесосного устройства 2 и отстоящих друг от друга по высоте эксплуатационного горизонта. Устойчивость борта будет повышаться по мере водопонижения и осушения окружающего карьер породного массива.

Транспортную связь землесосного устройства с поверхностью осуществляют по наклонной траншее, закладываемой за границей карьера, далее проводимой по борту карьера и углубляемой по мере углубления горных работ. По этой же траншее прокладывается пульповод 8, по которому транспортируется горная масса за борт карьера. По мере увеличения глубины карьера и, соответственно, высоты подъема пульпы по трассе пульповода сооружаются перекачивающие насосные станции.

В итоге горные работы опускаются до глубины, соответствующей границе перехода от слабых руд к руде с повышенными прочностными характеристиками, требующими других способов разработки. Благодаря осушению месторождения, являющегося результатом отработки заявляемым способом его обводненной части, оно становится подготовленным к эффективному использованию других, «сухих» систем разработки для продолжения на нем открытых горных работ.

Реализацию предлагаемого способа, на примере разработки одной из алмазоносных трубок на северо-западе европейской часта России, осуществляют следующим образом.

Месторождение располагается в равнинной заболоченной местности. Мощность перекрывающих отложений меняется от 30 до 60 метров. Они представлены несвязанными супесями и суглинками с редкими прослоями песчаного состава. Вмещающие породы до глубины 200 метров - слабые песчаники, прочностные параметры которых постепенно увеличиваются с глубиной. Вся толща от поверхности интенсивно обводнена. Рудное тело представляет собой вертикально залегающий воронкообразный массив, до глубины 130-150 метров сложенный малопрочными эффузионно-осадочными кимберлитовыми породами кратерной часта месторождения. Обладая исходной природной низкой прочностью, эти породы в водной среде ее теряют еще в большей степени. Ниже состав кимберлитов меняется, преобладающей становится интрузивная автолитовая кимберлитовая брекчия со значительно более высокими прочностными характеристиками. Гидромеханизированный способ разработки карьера, таким образом, возможно применить до глубины 150 метров.

Карьер закладывают непосредственно над рудным телом. При подготовке горных работ организуют систему водоснабжения землесосного устройства. На первых этапах разработки карьера водопритоки из разрабатываемого массива будут незначительны, а потребность горных работ в воде для транспортировки и укладке в отвал горной массы будут велики. Поэтому используют поверхностные водные источники для покрытая потребностей карьера в воде (обычно они бывают). В этом случае не требуется создания системы защиты горных работ от обводнения (как в традиционных способах разработки). Отказ от водозащитных мероприятий на первом этапе развития карьера, перенос их на более поздние сроки (с естественной при этом оптимизацией по объемам и стоимости работ) существенно сокращает затраты и сроки подготовительных работ, оказывает заметнее влияние на улучшение экономики горного предприятия.

Также существенной составной частью подготовительного этапа является обустройство гидроотвала. Для складирования гидросмеси на выбранной площади и предотвращения попадания загрязнений на окружающий рельеф на площадке сооружается дамба из фильтрующих грунтов, предусматриваются средства сгущения поступающей гидросмеси (простейшими являются устройства с применением гидроциклонов), средства намыва гидроотвалов, а также возврата сливной воды в горный разрез. При работе горного комплекса вода, скапливающаяся в прудке-отстойнике гидроотвала, будет либо возвращаться в карьер, либо после дополнительной очистки до ПДК сбрасываться в речную сеть в зависимости от требований соблюдения водного баланса.

Транспортные и другие коммуникации, обеспечивающие связь землесосного устройства с поверхностью (доставка людей, топлива, запасных частей, материалов), прокладывают по наклонной траншее, закладываемой за контуром карьера и выходящей на его борт на уровне, определяемом уровнем зеркала воды в карьере. Траншею углубляют по мере углубления горных работ. При достижении карьером подошвы перекрывающих отложений направление траншеи меняется. Дальше она проходится также с углублением вдоль нерабочего борта карьера. В этой же траншее укладываются линии пульповодов, по которым осуществляется перекачка гидросмеси для последующего направления ее в гидроотвал или на обогащение. По мере углубления горных работ и, соответственно, увеличения высоты подъема пульпы по трассе пульповодов устанавливают перекачные насосные станции. Подача пульпы от землесосного устройства к береговому стационарному пульповоду осуществляют посредством гибкого плавучего пескопровода, шарнирно стыкующегося и с береговым пульповодом, и с землесосным устройством.

Разработка карьера осуществляется погоризонтно, горизонтальными уступами. Высота уступа выбирается из расчета 55-60% от максимальной глубины разработки, определяемой техническим паспортом землесосного устройства. При паспортной глубине работы землесосного устройства 18 метров высота уступа определяется в 10 метров. Для обеспечения непрерывности работы и недопущения в процессе углубления разработки массированных сбросов воды с полигона при переходе на очередной горизонт карьер разделяют в плане на несколько частей, по крайней мере, на две половины, каждая из которых отрабатывается горизонтальными слоями - уступами, высотное положение которых различается от смежных уступов второй половины карьера на половину высоты уступа. Углубление горных работ полууступами позволяет вести сброс воды с полигона также послойно с высотой понижения водного слоя после отработки горизонта на одной половине карьера и перехода на вторую половину, равной также половине высоты эксплуатационного горизонта. Таким образом, суммарное количество воды, накопленное при отработке текущего горизонта и подлежащее сбросу при переходе на следующий горизонт, по объемам вдвое меньше, чем при отработке всей площади карьера одним уступом. Кроме того, понижение уровня воды в карьере можно вести постепенно, в течение всего срока отработки горизонта на данной половине карьера, поскольку общая глубина разработки при переходе землесосного устройства на отработку очередного уступа находится в пределах паспортной глубины черпания землесосного устройства.

Разработка очередного горизонта каждой из половин карьера начинают с сооружения вскрывающей выработки - котлована, размеры которого позволяют землесосному устройству приступить к планомерной отработке горизонта. Котлованы для вскрытия эксплуатационных горизонтов каждой из половин карьера закладывают, как правило, на противоположных флангах карьера. Каждую из половин карьера отрабатывают последовательно после полной доработки другой половины.

Принимаемая система разработки - сплошная выемка горной массы в проектных границах карьера системой смежно-продольных, смежно-поперечных (относительно длинной оси карьерного поля), комбинированных ходов землесосного устройства. Смежное расположение забоев обеспечивает максимальную ширину заходки, что способствует минимизации потерь времени на остановки при разворотах землесосного устройства и переносе наплавного пульповода. При переходе на нижележащий горизонт вдоль внешнего контура карьера формируют предохранительную берму, которая обеспечивает безопасные условия работы землесосного устройства в прибортовой зоне при понижении горных работ.

После достижения карьером подошвы перекрывающих кимберлитовую трубку отложений горные работы по описанной выше схеме сосредотачиваются в контурах рудного тела, которые становятся естественными границами карьера, разрабатываемого землесосным устройством на этих глубинах. Технологии разработки рудного массива и углубления по нему сохраняются теми же, что и на верхних горизонтах. Меняется только направление перекачки горной массы - на обогатительную фабрику, где она проходит соответствующие стадии обезвоживания, классификации и другие операции рудоподготовки, обогащения со складированием отвальных хвостов обогащения в хвостохранилище фабрики. Цикл оборотного водоснабжения горных работ с регулированием водного баланса сохраняют и здесь.

Таким образом, предложенное техническое решение позволит:

- Осуществить осушение пород карьерного поля. Окружающий горный массив становится подготовленным для реконструкции карьера и перехода на следующий этап его развития с использованием систем разработки без заполнения выработок водой.

- Приступить к разработке месторождения, несмотря на сложные природные и горнотехнические условия, в короткие сроки и с минимальными начальными капиталовложениями.

- Уменьшить энергозатраты и капитальные затраты на осушение месторождения.

- Применить стандартное оборудование без его переделки (то есть без дополнительных затрат).

Источник информации

1. Патент РФ №2081321, МКИ 7 Е 21 С 41/26, от 10.09.97.