Перспективы открытой добычи железистых кварцитов Лебединского и Стойло-Лебединского месторождений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Перспективы открытой добычи железистых кварцитов Лебединского и Стойло-Лебединского месторождений

Аннотация

Обоснована возможность открытой разработки Лебединского и Стойло-Лебединского месторождений железистых кварцитов действующим карьером, проектная глубина которого ограничивается отметкой -250м, до глубины -500м при сохранении его контура по поверхности, что позволит в течение 83 лет отработать не менее 5 млрд.т руды с нарастанием ее годовой добычи к 2045г. до 80 млн.т. Для этого необходимо осуществить переход с действующего железнодорожно-автомобильного транспорта при явном приоритете первого на использование циклично-поточной технологии по автомобильно-конвейерной схеме с вводом двух линий конвейерного транспорта (южной и юго-восточной), а также переустройство схемы железнодорожного транспорта со значительным уменьшением занимаемой им площади на северном борту карьера, расконсервацию тем самым крупных (около 1 млрд.т) вскрытых запасов руды и создание активной добычной зоны в северном и северо-западном направлениях.

Ключевые слова: Лебединское и Стойло-Лебединское месторождения, железистые кварциты, перспективный карьер, глубина отработки, циклично-поточная технология, транспортная схема

месторождение железнодорожный железистый карьер

Рудносырьевую базу действующего карьера Лебединского ГОКа составляют запасы железистых кварцитов Лебединского и Стойло-Лебединского месторождений, которые разведывались в разное время, но в геологическом плане представляют единое целое и отрабатываются одним карьером. Богатые железные руды (продукты коры выветривания железистых кварцитов) были отработаны в период с 1960 по 1983гг., а добыча железистых кварцитов ведется с ноября 1972 г., вначале карьером I очереди годовой производительности 31,2 млн.т, с 1977 г. карьером II очереди (43,2 млн.т.), а с 2004 г. по настоящее время карьером III очереди (53,7 млн.т).

Разведка железистых кварцитов была выполнена до отметки -500 м, но в соответствии с установленной глубиной перспективного карьера (Центрогипроруда, 1983 г.) их балансовые запасы утверждены ГКЗ СССР только до отметки -250 м. Не утверждение разведанных запасов, расположенных глубже указанной отметки, мотивировалось тем, что они «… в настоящее время не могут получить достоверного технико-экономического обоснования в связи с неопределенным сроком их освоения и неясностью способа разработки» (протокол №9617 от 12.12.1984 г.). По состоянию на 01.01.2017 г. карьер достигнет проектной глубины (-250 м) и крайне актуальным станет вопрос о перспективе открытой добычи железистых кварцитов на более глубоких горизонтах.

Надо сказать, что с самого начала добычи железистых кварцитов по настоящее время транспортировка скальной горной массы осуществлялась железнодорожным (ж.д.) и автомобильным транспортом с преобладающей ролью первого. По мере углубления карьера эта транспортная схема развивалась за счет повышения пропускной способности ж.д. транспорта путем расширения его внутрикарьерной сети и увеличения мощности станций, что длительное время, вплоть до достижения предельной проектной глубины отработки железистых кварцитов (-250 м), обеспечивало оптимальную дальность вывоза автотранспортом горной массы из рабочей зоны карьера.

Выполненный в связи с назревшей необходимостью освоения запасов железистых кварцитов глубже указанной отметки анализ сложившейся на сегодня ситуации в карьере показал, что в северной его части (секторы IV-VI на рис.1) существующей сетью ж.д. и автомобильного транспорта законсервировано, т.е. сделано недоступным для добычи, около одного млрд.т. руды. Активные добычные фронты открыты на глубину только в центральной части карьера и на юго-востоке (секторы I, II, III на рис.1), где расположены три рудные залежи (Южно-Лебединская, Юго-Восточная и Стойло-Лебединская), из которых вскрыта и то частично одна Южно-Лебединская залежь.

Здесь следует отметить, что еще по достижению карьером 2-й очереди заданной годовой производительности (43,2 млн.т. руды) стало очевидным, что дальнейшее развитие на глубину существующей транспортной схемы приведет к сужению активного карьерного пространства вследствие перманентного расширения площади под транспортные коммуникации. Поэтому в 1983 г. институтом Центрогипроруда было разработано ТЭО, в котором наряду с использованием сформированной на указанную дату ж.д.-автотранспортной схемы предусматривалось вскрытие нижних горизонтов рудного поля проходкой в юго-восточной части прикарьерного массива горных пород двух наклонных стволов, оборудованных ленточными конвейерами годовой производительностью 18 млн.т каждый, с выдачей руды из карьера прямо на ДОФ. Доставку руды от забоев к внутрикарьерным дробильно-перегрузочным узлам планировалось осуществлять автомобильным транспортом. Однако упомянутое выше ТЭО в актуальной на то время политической и экономической обстановке в стране было отклонено (кем?) со ссылкой на сложность и дороговизну сооружения подземных конвейерных трасс. Дальнейшее углубление карьера пошло по традиционной схеме с приоритетом ж.д. транспорта, что нашло отражение в действующем проекте III очереди (рис.2).

Разрез по линии АВ

Рис.1. Транспортная схема, зона углубки и секторы развития горных работ в карьере Лебединского ГОКа по состоянию на 01.01.2017г.

1 - железистые кварциты, 2 - кварцитопесчаники, 3 - сланцы, 4 - породы осадочного чехла (рыхлая вскрыша), 5 - автомобильные дороги, 6 - перегрузочные пункты, 7 - ж.д. пути, 8 - ж.д. станции: 1 - Северная, 2 - Кварцитная, 3 - Пост 82км, 4 - Рудная, 5 - Скальная, 6 - Пост 30м, 7 - ст.45м, 8 - Узловая, 9 - Западная, 10 - Горная, 11 - ст.-30м; 9 - зона углубки карьера, 10 - границы секторов горных работ (стрелкой показано направление их развития), 11 - граница проектного карьера по земной поверхности, 12,13 - проектный (12) и перспективный (13) контуры карьера на разрезе

Рис.2. Транспортная схема карьера Лебединского ГОКа на конец отработки по проекту 3-й очереди (условные обозначения см. на рис.1)

В работе «Обоснование инвестиций по увеличению производственных мощностей комбината с применением новых технологий при добыче и переработке железистых кварцитов» (2011г.(?))^** Здесь и далее этот символ означает, что в данном месте требуется уточнение, выполненной ВИОГЕМ с активным участием специалистов Лебединского ГОКа, была достаточно аргументировано показана реальность углубки существующего карьера до отметки -500 м с увеличением годовой добычи руды на базе модернизации транспортной схемы при условии инженерно-геологического и геолого-структурного обоснования предельных углов наклона и параметров конструктивных элементов бортов глубокого карьера.

В процессе начатой ВИОГЕМ в 2012г. разработки «ТЭО постоянных разведочных кондиций Лебединского и Стойло-Лебединского месторождений» такое обоснование было сделано и в соответствии с контуром перспективного карьера глубиной до -500 м дана оценка балансовых запасов железистых кварцитов, а также предложена как наиболее эффективная автомобильно-железнодорожно-конвейерная транспортная схема с приоритетом её конвейерной составляющей.

По физико-механическим свойствам скальные горные породы Лебединского месторождения образуют 4 группы (в порядке увеличения значений прочностных характеристик: окисленные железистые кварциты и выветрелые разновидности других пород, сланцы, кварцитопесчаники, неокисленные железистые кварциты (табл. 1).

Таблица 1. Средние показатели основных физико-механических свойств скальных горных пород Лебединского месторождения

Установленная распространённость пород различной категории блочности по классификации [1] характеризуется следующими данными: I (до 0.1 м) - 1 %; II (0.1-0.5 м) - 22 %; III (0.5-1.0 м) - 66 %; IV (1-1.5 м) - 7 %; V(>1.5 м) - 4 % [1], т.е. явно преобладают (99 %) породы от среднеблочных до исключительно крупноблочных, причём доля пород выше II категории блочности (>0.5 м) составляет 77 %.

Таким образом, незатронутый интенсивным выветриванием массив скальных пород (глубже зоны окисленных кварцитов) характеризуется высокими значениями физико-механических свойств, а также средне - крупноблочным строением, что свидетельствует об его устойчивости в уступах и бортах карьера, точнее той ее составляющей, которая зависит от указанных двух факторов.

В данной ситуации главным фактором, определяющим устойчивость массивов скальных пород при открытой их разработке являются геологоструктурный, выраженный падающими в сторону карьерной выемки разрывными нарушениями (трещинами), которые при определённых пространственных взаимоотношениях между собой и поверхностью карьера формируют потенциальные призмы обрушения той или иной конфигурации [2,3].

Массив скальных пород Лебединского и Стойло-Лебединского месторождений является сложноскладчатым докембрийским комплексом метаморфитов в юго-восточном замыкании Тим-Ястребовской синклинали 1-го порядка, образуя Лебединскую синклиналь 2-го порядка шириной 4-6 км. Она имеет северо-западное простирание и включает в себя ряд сопряженных синклиналей и антиклиналей 3-го порядка, которые осложнены складчатостью более высоких порядков. Падение слоев пород на крыльях складок крутое (70-90°). Шарниры складок погружаются в северо-западном направлении под углом от 10-30° до 50-60°.

В докембрийском породном массиве установлены разрывные нарушения двух порядков. Нарушения 1-го порядка протягиваются через все карьерное поле и уходят за его пределы. Это продольные относительно складчатости разрывы северо-западного простирания (аз. 290-310°) и крутого (70-85°) в обе стороны до вертикального падения. Всего закартировано 9 таких нарушений. Они представлены зонами дробления или рассланцевания пород с глинкой трения и четкими притертыми плоскостями, зачастую с явными следами скольжения. Мощность таких зон 0,5-3,0 м, иногда до 5-7 м. На отдельных участках нарушения сопровождаются зонами повышенной трещиноватости пород шириной 5-10, иногда до 20-40 м. Расстояние между соседними нарушениями колеблется от 200 до 600 м.

Разрывные нарушения 2-го порядка представлены зонами дробления и рассланцевания горных пород протяженностью первые сотни метров и мощностью до 0,5-1,0 м, а также единичными крупными трещинами с глинкой трения. Часто нарушения сопровождаются зонами повышенной трещиноватости шириной до 3-5, редко 10 м. По простиранию нарушения группируются в три системы: северо-западную (аз. 290-310°), субширотную (аз. 250-280°) и северо-восточную (аз. 50-70°). Падение нарушений первой и второй систем крутое (65-85°) в обе стороны, а третья система по азимуту и углу падения представлена двумя подсистемами. Одна из них падает на северо-запад (аз. 320-340°) под углом 50-65°, а другая на юго-восток (аз. 140-160°) под углом 60-75°. Расстояние между нарушениями одной системы - от 30-60 до 100-150 м.

Разрывные нарушения 1-го порядка могут повлиять на устойчивость уступов только в западном и восточном бортах карьера, где они проходят субпараллельно уступам. Все 9 таких нарушений закартированы в карьере с привязкой их местонахождения, что позволяет при проектировании предельного контура карьера в указанных выше бортах учесть эти нарушения при выборе безопасных углов откосов уступов карьера. Разрывные нарушения 2-го порядка, учитывая их спорадическое развитие на месторождении, небольшую протяжённость и преимущественно крутое до субвертикального падение, способны вызвать только единичные локальные деформации уступов, не оказывающие сколько-нибудь существенного негативного влияния на горные работы.

Весь массив скальных пород пронизан прерывистыми блокоформирующими трещинами трех систем: М, N, К, где М - система трещин по напластованию (слоистости) пород, К - субпараллельная простиранию пород и субперпендикулярная их слоистости, N - поперечная по отношению к складчатости. Кроме того, встречаются сколовые трещины (С) - протяжённые, ровные с притёртыми стенками. Они по простиранию близки к трещинам системы N, но отличаются существенно меньшим углом падения [4]. Поскольку потенциально формирующими призмы обрушения являются трещины, падающие в сторону карьерной выемки, в таблице 2 по каждому борту карьера отражены системы таких трещин и элементы их ориентировки.

Таблица 2. Элементы залегания систем трещин прибортового породного массива Лебединского месторождения, падающих в сторону карьерной выемки

Анализ данных таблицы 2 показывает, что в каждом борту карьера проявлено по две системы трещин, падающих в сторону выемки, но не навстречу друг другу. Таким образом трещины любой из этих систем могут вызвать только плоскую деформацию уступа при условии, что угол между простиранием трещины и откосом уступа не более 15° [5]. Такому критерию соответствует в северо-западном борту карьера часть трещин системы N, северо-восточном - часть трещин системы М, юго-восточном - часть трещин систем М и N, западном - трещины системы М. Во всех этих случаях падение трещин крутое до субвертикального, что не исключает их подрезание откосами уступов, но гарантирует с учетом прерывистости трещин незначительные по объёму деформации уступов. Обычно, такие деформации реализуются непосредственно в процессе проведения взрывных работ при постановке уступов на предельный контур и не представляют опасности.

Необходимо отметить следующие обстоятельства, благоприятные для реализации конструктивных параметров уступов карьера, обеспечивающих результирующий угол бортов не менее 38-43°. Во-первых, для наиболее ответственного с точки зрения вовлечения в открытую разработку дополнительных запасов железистых кварцитов северного борта карьера не представляют опасности разрывные нарушения 1-го порядка и большинство наиболее проявленных нарушений 2-го порядка, так как они субперпендикулярны ему, а также идущие по напластованию пород трещины системы М, так как они падают согласно направлению погружения шарниров складок в сторону, обратную относительно карьерной выемки. Во-вторых, западный и восточный борта характеризуются крутым углом падения в карьер слоистой толщи пород и разрывных нарушений (>70°), которые будут существенно превышать указанные проектные значения результирующих углов наклона бортов перспективного Лебединского карьера.

Поскольку в прибортовых массивах скальных пород практически отсутствуют неблагоприятно ориентированные разрывные нарушения и системы трещин, а слагающие их породы незначительно различаются по прочности на сдвиг, при расчётах по оценке устойчивости такие массивы рассматривались как блочная квазиоднородная среда, которая характеризуется соответствующими показателями на сдвиг с учетом интенсивности их трещиноватости. Потенциальные поверхности скольжения (разрушения) в таком массиве принимались как плавные криволинейные. Результаты выполненной институтом ВИОГЕМ согласно [6] оценки устойчивости параметров откосов уступов и бортов карьера в массиве скальных показали, что ниже границы выветривания расчетный результирующий угол северного борта карьера 62-63° (КЗУ>1,3), а остальных бортов 43-47° (КЗУ=1,3-1,4). Средний результирующий конструктивный угол бортов карьера до отметки -500м с учетом особенностей залегания рудных тел и параметров уступов карьера (высота ….м, угол наклона откосов …..м, ширина бермы ….м) составил для I сектора ….., II - ….., III - ….., IV- ….., V- ….., VI- ……(?). - это задача Серого С.С.

Подсчитанные в процессе разработки "ТЭО постоянных разведочных кондиций Лебединского и Стойло-Лебединского месторождений" балансовые запасы руды в контуре перспективного карьера, отстроенного по указанным выше параметрам с сохранением существующего контура карьера по поверхности, по состоянию на 01.01.2015г. составили 5070,5 млн.т, в т.ч. 3639,1 млн.т до гор.-250м и 1431,4 млн.т в этаже -250500м. Согласно разработанному в ТЭО календарному графику продолжительность работы карьера 83 года, а максимальная годовая добыча руды (80 млн.т) будет достигнута в 2045г. Цифры этого абзаца также за Серым С.С.

Как показывает отечественный и зарубежный опыт открытой разработки рудных месторождений [7,8…..] наиболее перспективным направлением дальнейшего развития транспортной системы в карьере Лебединского ГОКа является переход на циклично-поточную технологию (ЦПТ) по автомобильно-конвейерной схеме при условии поверхностного размещения конвейерных линий в бортах карьера. По этой технологии также возможна транспортировка горных пород для производства щебня, а основная часть скальных и рыхлых пород вскрыши будет вывозиться существенно сокращенным по сравнению с имеющимся на сегодня ж.д. транспортом. Использовать при переходе на ЦПТ предложенный Центрогипрорудой в 1982г. вариант транспортной системы нерационально, так как он сохраняет негатив нынешней железнодорожно-автомобильной схемы (низкую извлекаемость запасов руды под транспортными коммуникациями в северо-западной и северной частях карьера) и потребует больших затрат на сооружение в сложных инженерно- и гидрогеологических условиях наклонных тоннелей под линии конвейеров.

Для выбора оптимальной позиции поверхностных конвейерных линий были рассмотрены 4 возможных варианта их размещения по периметру карьера при условии, что во всех из них приняты два комплекса таких линий с годовой производительностью по руде 20 млн.т каждый.

Первый вариант предусматривает размещение в северной части карьера на месте строительства ж.д. станции (гор.-75м) двух дробильных комплексов в подземном исполнении, что позволит оптимизировать вывоз руды с указанного и расположенных ниже его горизонтов, а также ликвидировать перегрузочные площадки, консервирующие вскрытые запасы руды. Сравнительно с существующей транспортной схемой, по которой руда автотранспортом вывозится на перегрузочные площадки (горизонт -15м), высота подъема руды уменьшится на 60 м, а дальность перевозки на 0,5 км при сокращении потребности в автосамосвалах на 7-8 единиц. Однако при этом в северном борту карьера сохраняется консервация запасов руды, вследствие чего появляется необходимость транспортировки конвейером добытой руды на большие расстояния через все карьерное поле.

Второй вариант (размещение ЦПТ в западной и восточной частях карьера) оказался неприемлемым, поскольку приводит к увеличению средневзвешенной дальности перевозки горной массы автотранспортом по сравнению с северным вариантом на 0,8-1,0 км, потребует строительство конвейерных линий, пересекающих существующие транспортные коммуникации, а также большой протяженности конвейерных линий по поверхности для доставки руды на обогатительную фабрику.

Третий (южный) вариант размещения ЦПТ характеризуется значимо меньшим, чем выше упомянутые варианты, расстоянием до обогатительной фабрики. Кроме того он позволяет задействовать одну из конвейерных линий для транспортировки скальных пород на отвалы и обеспечить отработку Южно-Лебединской рудной залежи с выполнением незначительного объема горно-капитальных работ, поскольку верхние горизонты борта карьера в районе этой залежи находятся практически в конечном положении.

Четвертый (юго-восточный) вариант также как и предыдущий имеет стратегическое значение, особенно для отработки Стойло-Лебединской залежи, и по сравнению с ним характеризуется более близким расстоянием от конвейерной линии до обогатительной фабрики.

В данной ситуации наиболее перспективной является комбинация двух последних вариантов с размещением транспортных линий (южной и юго-восточной) двухэтажной конструкции в соответствии с очередностью их строительства: на участке 1-й очереди от поверхности до горизонта -45 м (юг) и +45 м (юго-восток), а 2-й очереди до -180 м по обеим линиям (рис. 3). Двухэтажная конструкция линий ЦПТ позволит охватить автомобильным транспортом фронт горных работ в диапазоне от -500 м до -45м. При этом расположение конвейерных линий и корпусов крупного дробления (ККД) между рудными залежами на антиклиналях, сложенных скальными породами, позволит исключить консервацию запасов руды в южном и юго-восточном направлении. Перераспределение транспортного потока на юг-юго-восток создает условия для расконсервации запасов руды в северной зоне карьера (секторы IV-VI, см.рис.1) и планомерного строительства транспортной сети, распределённой в пространстве карьера по секторам в плане и на глубину.

На первом этапе оформляется восточный борт Южно-Лебединской залежи (как это понимать?) под строительство верхней части 1-й очереди ЦПТ. В настоящее время этот участок карьера практически свободен от вскрыши.(?) Современные транспортные коммуникации обеспечат организацию строительства основания под трассу конвейера и создание площадки под строительство ККД 1 без приостановки работ в рабочей зоне карьера. Незначительный объём горно-капитальных работ позволит за 3 года построить конвейерный комплекс и в течении года запустить его в работу.

Разрез по линии А-Б

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Схематичный план перспективного карьера на конец отработки Лебединского и Стойло-Лебединского месторождений железистых кварцитов до отметки -500м 1 - конвейерные линии, 2 - ж.д. станции (1 - Западная, 2 - Кварцитная, 3 - Северная, 4 - Восточная, 5 - Узловая); 3 - перегрузочные пункты и их высотные отметки; 4 - перспективный карьер; 5 - карьер третьей очереди; 6 - шахтный ствол; 7 - граница зоны охранного целика; 8 - подземные выработки; 9 - выработки выпуска руды; 10 - отбитая руда; 11 - взрывные скважины. Остальные условные обозначения см. на рис. 1.

К этому времени будет исчерпана ёмкость отвала рыхлой вскрыши и утратит значение ж.д. схема транспортировки горной массы через станцию (ст.) Северная. Ввод в эксплуатацию 1-й очереди южного комплекса ЦПТ снизит нагрузку на ж.д. транспорт и на втором этапе можно будет начать строительство ст. Северная на новом месте, переместив с горизонта +115 м на горизонт +90 м в пространстве между ее актуальной позицией и постом 82м. Через ст. Северная в новом ее положении будет направлен грузопоток перегона Рудный и поста 82 м на ст. Рудная, что позволит освободить от ж.д. коммуникаций пространство на северном борту карьера между ст. Северная и ст. Кварцитная, а затем по мере развития конвейерного транспорта выполнить перенос и ст. Кварцитная. Переустройство ж.д. схемы на верхних горизонтах северного борта карьера и связанная с ним расконсервация вскрытых запасов северной части Центральной залежи Лебединского месторождения создаст активную добычную зону в северном и северо-западном направлениях.

Заключение

1. Сформированная на сегодня согласно действующему проекту открытой отработки Лебединского и Стойло-Лебединского месторождений железистых кварцитов до глубины -250м ж.д.-автомобильная с явным приоритетом ж.д. составляющей транспортная сеть при углублении карьера ниже указанной отметки делает недоступным для открытой добычи около одного млрд. т руды в северном борту карьера.

2. Геолого-структурные и инженерно-геологические особенности массива горных пород и руд указанных месторождений позволяют в существующих границах карьера по поверхности укрутить его северный борт, углубить карьер до отметки -500м и тем самым вовлечь в открытую разработку не менее 5 млрд.т руды, продлить срок службы карьера на 83 года с нарастанием его годовой производительности до 80 млн.т к 2045 году.

3. Наиболее перспективным направлением дальнейшего развития транспортной системы карьера в связи с его углубкой до отметки -500м, обеспечивающим достижение указанных выше параметров по добыче руды, является переход на приоритетное использование циклично-поточной технологии по автомобильно-конвейерной схеме с размещением двух линий конвейерного транспорта (южной и юго-восточной) производительностью по 20 млн.т руды каждая и корпусов крупного дробления между рудными залежами в массивах пустых пород, что позволит избежать консервации запасов руд в южной и юго-восточной зонах карьера. Параллельно необходимо провести переустройство ж.д. транспортной схемы с уменьшением занимаемой ею площади на северном борту карьера, что обеспечит расконсервацию расположенных здесь вскрытых запасов руды и активную их добычу.

Библиографический список

1. Временная классификация горных пород по степени трещиноватости в массиве. - М.: ИГД АН СССР. 1968. - 30с.

2. Теоретические основы инженерной геологии. Механико-математические основы. Под.ред. Е.М. Сергеева. - М.: Недра, 1986. - 254с.

3. Попов В.Н., Шпаков П.С., Юнаков Ю.Л. Управление устойчивостью карьерных откосов. - М.: МГГУ, Изд-во Горная книга, 2008. - 683с.

4. Дунаев В.А., Серый С.С., Герасимов А.В., Григорьев В.И. Структура и районирование массива докембрийских пород Лебединского месторождения. "Горный журнал", 2003, №3, с.7-13.

5. Галустьян Э.Л. Геомеханика открытых горных работ: Справочное пособие. - М.: Недра, 1992. - 272с.

6. Методические указания по определению углов наклона бортов, откосов уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров. - Л., ВНИМИ, 1972. - 165с.

Размещено на Allbest.ru