Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ опыта и технологий подземной разработки кимберлитовых,трубок 10
1.1. Анализ опыта подземной разработки кимберлитовых трубок 10
1.1.1. Анализ опыта подземной разработки трубки «Коффифонтейн» 10
1.1.2. Анализ опыта подземной разработки трубки «Фит» 19
1.1.3. Анализ опыта подземной разработки трубки «Премьер»... 22
1.1.4. Анализ опыта поземной разработки трубки «Интернациональная» 25
1.2. Анализ технологий подземной разработки кимберлитовых месторождений 26
1.2.1. Этажное принудительное обрушение 26
1.2.2. Подэтажное обрушение кимберлитовых руд 28
1.2.3. Кратерная выемка 29
1.2.4. Разработка с открытым выработанным пространством 30
1.2.5. Слоевая выемка с закладкой выработанного пространства 31
1.3. Анализ опыта эксплуатации кимберлитовых месторождений 34
1.4. Цель, задачи и методы исследований 37
ГЛАВА 2. Генезис и геологические условия кимберлитовых месторождений ... 41
2.1. Генезис алмазов 41
2.2. Общая характеристика кимберлитовых трубок 44
2.3. Кимберлитовые брекчиижерловой фации 50
2.4. Распределение алмазов в рудном теле 55
2.4.1. Трубка «де бирс» 57
2.4.2. Трубка «Коффифонтейн» 58
2.4.3. Трубка «Премьер» 59
2.4.4. Трубка «Финч» 61
2.4.5. Трубки «Мир» и «Интернациональная» 62
2.4.6. Трубка «Удачная» 67
2.4.7. Трубка « им. В.Гриба» 72
2.5. Разведка и освоение месторождений 77
2.6. Запасы алмазоносных кимберлитовых руд 79
2.7. Мировая добыча алмазов 80
2.8. Стоимость АЛМАЗОВ 82
ГЛАВА 3. Горнотехнические условия и их техногенные изменения, складывающиеся при отработке запасов открытым способом 90
3.1. Современное состояние основных месторождений ак «алроса» 90
3.2.Трубка« Удачная» 92
3.3.Трубка «Айхал» .98
3.4.Трубка«Мир» 101
3.5. Геокриологические условия 104
3.6. Физико-механические свойства кимберлитов 105
3.7. Гидрогеология, газо- и нефтепроявления кимберлитовых месторождений 106
ГЛАВА 4. Переход к подземной разработки кимберлитовых месторождений 120
4.1. Основные факторы, влияющие на выбор технологических решений 120
4.2. Проблемы перехода к подземной разработке кимберлитовых трубок России 127
4.3. Выбор системы подземной разработки по горнотехническим факторам 128
4.4. Вскрытие месторождений 137
4.5. Водозащита рудников 139
4.6. Геомеханическое обеспечение подземных работ 141
ГЛАВА 5. Системы подземной разработки и область их применения при эксплуатации кимберлитовых месторождений 147
5.1. Анализ опыта применения систем с обрушением 147
5.2. Анализ опыта применения систем с закладкой 155
5.3. Разработка месторождений в переходной зоне 159
5.4. Основные системы подземной разработки 161
5.4.1. Система разработки с подэтажным обрушением при торцевом выпуске руды 161
5.4.2. Система разработки горизонтальные слои с закладкой 166
5.5. Системы с принудительным обрушением руд и вмещающих пород 169
5.6. Выпуск, потери и разубоживание руды в системах с обрушением 172
5.7. Прогнозирование и контроль содержания полезного компонента в процессе добычи руды 174
5.8. Особенности выпуска руды отбитой в зажатой среде 175
5.9. Объем фигуры выпуска 176
5.10. Рациональный режим выпуска руды 178
5.10.1. Выбор режима выпуска руды 178
5.10.2. Результаты моделирования выпуска руды 180
5.11. Параметры системо обрушением и их влияние на показатели извлечения руды при выпуске... 184
5.12. Влияние фракционного состава на параметры выпуска руды 192
5.13. Повышение эффективности подэтажного обрушения с торцевым ВЫПУСКОМ 198
5.14. Системы с искусственным поддержанием очистного пространства 203
5.14.1 Выемка горизонтальными слоями с подготовкой полевыми штреками 205
5.14.2. Выемка горизонтальными слоями с подготовкой рудными штреками 209
5.15. Сравнительная оценка технологических решений 210
ГЛАВА 6. Порядок комбинированной разработки кимберлитовых трубок 222
6.1. Анализ практики комбинированной разработки рудных месторождений 222
6.2. Схемы комбинированной разработки кимберлитовых местоюждений 229
6.2.1. Последовательная разработка кимберлитовых трубок. 230
6.2.2. Совместная разработка кимберлитовых трубок 239
6.3. Обоснование порядка комбинированной разработки кимберлитовых месторождений 243
6.4. Защита горных выработок от воды при переходе на подземную разработку 246
6.4.1. Особенности защиты от воды при разработке системами с закладкой 252
6.4.2. Особенности защиты выработок при разработке системами с обрушением 252
6.5.Обоснование уровня заложения штолен при вскрытии из карьерного пространства 253
ГЛАВА 7. Глубина перехода на подземную разработку и развитие фронта очистных работ 267
7.1. Обоснование глубины перехода на подземную разработку 267
7.2. Обоснование порядка ведения очистных работ с учетом распределения полезного компонента в рудном теле 271
7.3. Подготовка и развитие фронта очистных работ 276
7.4. Оценка эффективности рекомендуемых технологических решений 279
Заключение 284
Список использованной литературы 288
- Анализ технологий подземной разработки кимберлитовых месторождений
- Общая характеристика кимберлитовых трубок
- Геокриологические условия
- Проблемы перехода к подземной разработке кимберлитовых трубок России
Введение к работе
Актуальность работы. К настоящему времени завершена или близка к завершению открытая разработка наиболее продуктивных из известных алмазоносных месторождений Якутии, эксплуатацию которых ведет АК «АЛРОСА». Предстоит переход к подземной разработке на трубке «Айхал», где уже действует опытно-промышленный участок, трубках «Мир» и «Удачная», ведется подземная добыча на руднике «Интернациональный». Строительство рудников и переход к подземной разработке, осуществляемые как правило, после завершения открытой добычи руды, связаны с необходимостью принятия ряда принципиальных технологических решений, определяющих в дальнейшем эффективность работы предприятий.
При разработке кимберлитовых месторождений применяют системы с принудительным обрушением руд и вмещающих пород и закладкой выработанного пространства.
Системы с принудительным обрушением получили широкое распространение в России и за рубежом, где осуществляется переход к следующему этапу - технологиям с самообрушением руды (рудник Эль-Тениенте в Чили, рудник Коффифонтейн в ЮАР). Эта технология позволяет увеличить высоту этажа до 150 - 350м, а при разработке кимберлитовых месторождений, кроме того, и обеспечить сохранность кристаллов. Системы с обрушением позволяют достичь высокой концентрации и производительности горных работ по сравнению с другими технологиями в идентичных горнотехнических условиях при низкой себестоимости добычи, но требуют определенной тщательности в подходе к обоснованию их параметров, неверный выбор которых для конкретных условий отрицательно сказывается на показателях извлечения.
На рудниках России успешно используются и системы с закладкой выработанного пространства. Они обеспечивают высокую полноту извлечения полезного ископаемого из недр при минимальном воздействии на состояние налегающей толщи пород и земную поверхность. Особенно это касается технологий с твердеющей закладкой. Применение этих систем увеличивает фронт горных работ, удорожает производство.
Таким образом, технологии с обрушением отличаются низкой себестоимостью производства подземных горных работ, а технологии с закладкой позволяют снизить уровень потерь и разубоживания рудной массы. Однако этих показателей недостаточно для однозначного выбора той или иной технологии подземной добычи. Поэтому необходимо установить степень влияния множества других природных и техногенных факторов на параметры процессов горного производства.
В связи с этим, научное обоснование технологических решений для подземной разработки кимберлитовых месторождений с учетом природных особенностей их формирования и техногенной обстановки, складывающейся в процессе их эксплуатации открытым способом к моменту перехода на подземную разработку, является актуальным.
В основу диссертации положены результаты, полученные лично автором при выполнении исследований в качестве научного руководителя и ответственного исполнителя тем: «Подготовить технико-экономические расчеты по подземной разработке кимберлитового месторождения «Мир»( 1999г.), «Обоснование вскрытия запасов за проектным контуром и отработки прибортовых руд карьера кимберлитовой трубки «Удачная»»(2000г.), «Составление экспертного заключения по «Разработке месторождений трубки «Мир» и трубки «Айхал» компании АК «АЛРОСА» (2001г.), «Разработать технологический регламент на отработку Юго-западного рудного тела системами с обрушением и рекомендации по созданию на руднике «Айхал» ОППУ-2»(2001г.), «Регламент на ускоренное вскрытие подземных запасов трубки «Удачная»» (2002г.), «Проект вскрытия и отработки подкарьерных запасов до отм. -510 м трубки «Мир»(2002г.), заказчики АК «АЛРОСА» и институт «Якутнипроалмаз», а также «Экспертиза целесообразности применения систем разработок с обрушением для условий рудника «Северный-глубокий» ОАО «Кольская ГМК»(2003г.), «Разработка состава, способов транспортировки и подачи в отработанное пространство твердеющей закладки на основе текущих хвостов обогащения с определением экономического эффекта» (2004г.), заказчик ОАО «Кольская ГМК».
Цель работы состоит в обосновании комплекса технологических решений, позволяющих обеспечить эффективное использование систем подземной разработки при совместной или последовательной открыто-подземной эксплуатации кимберлитовых месторождений.
Идея работы заключается в выборе технологических решений разработки кимберлитовых трубок с учетом природных особенностей их формирования во взаимосвязи с изменением техногенной обстановки, складывающейся к моменту перехода на подземную добычу.
Методы исследований включают анализ и теоретическое обобщение накопленного опыта технологических решений при подземной разработке месторождений полезных ископаемых, использование математического и физического моделирования при установлении параметров фигур выпуска, величин потерь и разубоживания, сравнительный технико-экономический анализ систем разработки, апробацию технологических решений в условиях действующих рудников.
Защищаемые научные положения:
1. Последовательная открыто-подземная разработка руды должна осуществляться с использованием автономной технологической схемы ускоренного перехода к подземной добыче, которая учитывает техногенные изменения горнотехнических условий, вызванные ведением открытых горных работ.
2. В зоне перехода к подземной добыче высота уступов карьера определяется высотой подэтажа, принятой для доработки прибортовых запасов, а устья штолен должны закладываться за пределами мульды сдвижения, формирующейся при отработке первого этажа рудника, что позволит обеспечить безопасность производства и рациональное сочетание открытой и подземной транспортных схем.
3. Переход к подземной разработке следует проводить на глубине, при которой объем запасов богатых и рядовых кимберлитовых руд составляет, соответственно, не менее 30% и 50% от утвержденных, что обеспечит рентабельность работы подземного рудника и полное извлечение запасов месторождения.
4. Развитие фронта очистных работ следует осуществлять с учетом пространственного распределения полезного компонента в кимберлитовой трубке, начиная добычу в каждом выемочном горизонте от участков с повышенным содержанием полезного компонента до рядовых руд, с исключением из процесса добычи безрудных участков, при производстве очистной выемки одновременно в нескольких подэтажах и этажах.
5. Полнота и качество извлечения руд обеспечиваются их предварительной отсечкой от вмещающих пород, концентрацией подготовительно-нарезных выработок в рудном теле при минимуме пересечений его контуров, направленном использовании особенностей кимберлитовых трубок в процессе перемещения руды в их пределах вплоть до выклинивания для систем с обрушением и упрочнением зон тектонической брекчии для систем с закладкой.
6.Крупнофракционное дробление руды является основным условием эффективного применения систем с обрушением, обеспечивающим сохранность кристаллов, снижение объемов подготовительно-нарезных и буровзрывных работ, а управление контактом руда - порода, обеспечивающим снижение потерь и разубоживания руды, достигается за счет увеличения максимального размера куска с одновременным регулированием высоты подэтажа и расстояния между смежными буровыпускными выработками.
7. При совместной открыто-подземной разработке кимберлитовых трубок следует предусматривать их деление по падению на три яруса - открытый и два подземных. Вскрытие подземных запасов следует осуществлять на всю глубину на стадии ведения открытой добычи; отработку нижнего яруса - снизу вверх, совместно с открытой добычей; отработку среднего яруса, выполняющего функцию разделительного целика - после завершения открытых горных работ.
Личный вклад соискателя состоит: в постановке задач, их решении и анализе полученных результатов; оценке и выявлении природных факторов, оказывающих основное влияние на выбор технологических решений подземной разработки; установлении зависимостей, позволяющих обосновать область рационального применения способов, систем и технологий подземной разработки месторождений кимберлитовых трубок, порядок и развитие фронта очистной выемки с учетом распределения полезного компонента по площади рудного тела; определении параметров основных процессов добычи руд и разработке конструкций систем и технологий, обеспечивающих эффективную разработку кимберлитовых трубок.
Научная новизна исследований:
- разработана автономная технологическая схема перехода к подземной разработке, позволяющая сократить или исключить временной разрыв между завершением открытой и началом подземной добычи кимберлитовых руд и ускорить строительство основной технологической схемы рудника;
- установлен диапазон изменений параметров подэтажей и уступов при доработке прибортовых запасов и определении рациональной высоты заложения вскрывающих выработок от дна карьера, направленное регулирование которых ведет к повышению эффективности подземной разработки;
- предложен порядок развития очистной выемки в шахтном поле с учетом пространственного распределения полезного ископаемого в рудном теле, предполагающий ее переход от зон с высоким содержанием полезного компонента к рядовым рудам и установлен шаг опережения по вертикали, определяющий повышение показателей извлечения рудной массы;
- установлена закономерность изменения параметров фигуры выпуска в зависимости от фракционного состава рудной массы и определено, что при торцевом выпуске конфигурацию контакта руды и налегающих пород, влияющую на величину потерь и разубоживания руды, можно сохранить, сближая смежные буровыпускные выработки;
- предложен рациональный порядок разработки кимберлитовых месторождений, предусматривающий их вскрытие на всю глубину разведанных запасов, совместную открыто-подземную разработку верхнего и нижнего ярусов и доработку среднего яруса после завершения открытой добычи;
- определены принципы конструирования систем и технологии подземной разработки кимберлитовых месторождений, основанные на концентрации подготовительно-нарезных работ в пределах рудных тел при минимуме пересечений их контуров.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов подтверждаются:
- анализом мирового опыта подземной разработки кимберлитовых месторождений системами с обрушением руды и вмещающих пород;
- экспериментальными исследованиями, выполненными с учетом диапазона изменений горнотехнических условий разработки и морфологии кимберлитовых месторождений;
- результатами анализа статистических и экспериментальных данных и их математической обработкой;
- удовлетворительной сходимостью (75%) результатов теоретических исследований и аналитических расчетов с данными лабораторных и натурных экспериментов.
Практическое значение работы состоит:
- в разработке схем опережающего вскрытия кимберлитовых месторождений при последовательном переходе к подземной добыче после завершения открытых горных работ, позволяющих интенсифицировать добычу, сократив сроки строительства рудников;
- в разработке технологических решений для добычи руд, отнесенных к подземному способу ведения горных работ с учетом природных закономерностей формирования кимберлитовых месторождений и техногенных изменений горнотехнических условий, сложившихся в процессе открытой эксплуатации карьерных запасов;
в разработке схем и определении порядка очистной выемки, обеспечивающих безопасную эксплуатацию за счет исключения накопления вод в зонах обрушения выше и на уровне ведения очистной выемки рудной массы;
- в разработке схем комбинированной добычи руд, предусматривающих вскрытие месторождения на всю глубину, разделение трубок по падению на три яруса - открытый и два подземных и отработку их подземным способом совместно или последовательно по отношению к запасам для открытых горных работ;
Реализация работы. По результатам исследований выполнены проект подземного рудника «Мир» и технологические регламенты для подземной разработки кимберлитовых трубок «Удачная» и «Айхал».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались и были одобрены на семинарах проводимых в рамках «Недели горняка» - 1996 - 2004гг. (Москва, МГГУ - ИПКОН РАН), а также международных конференциях: «Мирный - 2001», « Магнитогорск - 2003».
Публикации: По теме диссертации опубликовано 32 печатных работ, 22 статьи, из которых 16 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования РФ и 10 авторских свидетельств и патентов на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения, содержит 106 рисунка, 40 таблиц и список использованной литературы из 194 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность президенту АК «АЛРОСА» В.Т. Калитину, главному инженеру компании Г.А. Мельнику, чл. корр. РАН Д.Р. Каплунову за консультации в процессе выполнения диссертационной работы.
Анализ технологий подземной разработки кимберлитовых месторождений
На руднике «Кимберли» подземная разработка была начата в 1884г. Принятая технология, предполагала сочетание выемки камерными системами и подэтажным обрушением. Разработка велась довольно эффективно, и использование этой технологии завершилось лишь в конце 1950-х гг. [10].
В начале 50-х гг., на рудниках, принадлежащих компании Де Бирс, и так отличавшихся высокой производительностью труда и низкими затратами на добычу, применили блочное обрушение, связанное с более высоких затратами на подготовку. Однако высокая эффективность новой технологии, внедренной также на рудниках Джагерсфонтей, Ду Тойтспан и Бултсфонтейн, позволила повысить уровень безопасности горных работ и в 2 раза увеличить производительность труда на очистной выемке и, тем самым способствовало снижению себестоимости добычи.
Высота этажа составляла 130 м, а максимальная достигала 180 м, хотя уже имелся опыт других стран по отработке более высоких блоков. В дальнейшем была осуществлена оптимизация параметров системы, определена площадь и высота подсечки, а также параметры горизонта выпуска, который крепили усиленной крепью. Это позволило обеспечить высокие показатели извлечения.
В дальнейшем для повышения уровня безопасности горных работ крепление выпускных выработок осуществляли торкретбетоном, а также затяжку бетоном с уплотняющими наполнителями. Кроме того, изменили профиль штрека и условия поддержания податливой арки. Совершенствовали и технику взрывных работ.
В последнее время на рудниках компании Де Бирс осуществляется переход к технологиям с самообрушением. Применение этой технологии связано с увеличением нагрузки вследствие больших размеров блока или завышенных темпов выпуска руды, что приводило к динамическим проявлениям давления, приводящим к разрушению рудных целиков и выработок при высоких концентрациях напряжений. Такие обрушения зафиксированы, например, на руднике Бултфонтейне в подэтажах 595 м и 610 м, где разрушились горизонтальные выработки, а после их восстановления, произошло повторное раздавливание перекрепленных выработок вследствие роста давления. Затраты на восстановление составили более 40 % от общей себестоимости горных работ. В связи с этим на рудниках компании было произведено первое формальное исследование механики горных пород с оценкой нагрузки осевого давления при продвижении подсечки и точечной нагрузки после подрубки.
Смена направления обрушения при ведении очистных работ путем подсечки исключила все разрушающие осевые нагрузки в выемочных выработках. Для сокращения числа случаев локальных вывалов из-за точечных нагрузок был введен способ добычи с торцевым выпуском. В отличие от выпуска руды через выпускные воронки, торцы, которые были в несколько раз шире (приблизительно 30м), простираясь вдоль параллельных выпускных штреков, были разработаны на прогрессивной основе, закрывая один торец и открывая другой на противоположной стороне в каждом штреке. Эти торцы, медленно продвигающиеся по всей ширине трубки при эффективно подсчитанной нагрузке, не допускали роста напряжений и в восстановленных штреках снизились износ и разрывы в пунктах выпуска руды.
С увеличением глубины разработки размеры трубок становились более узкими с менее четкими контурами. Хотя на ряде трубок Кимберли велась разработка с оставлением целиков, и не проводилось обрушение вдоль контакта рудного тела с вмещающими породами, все же образовывались вывалы прочной перекрывающей породы. Это происходило также из-за обрушения неустойчивых кимберлитов. Таким образом, расположенные выше пустые породы перекрывали запасы полезных ископаемых. Наряду с уменьшением размеров трубки это привело к тому, что дальнейшая ее разработка оказалась неэффективной, что вызвало необходимость перехода к рудам более низкого качества. В связи с ухудшением качества руды с глубиной, использование системы с подэтажным обрушением по оценкам специалистов представлялось наиболее оптимальным вариантом для организации селективной добычи. В табл. 1.1 приведены характеристики применяемой технологии [11].
Система с подэтажным обрушением была внедрена на рудниках Весселтон и Бултфонтейн и применялась около 10 лет, с 1979 по 1989 гг.
Неустойчивое состояние породного массива часто приводило к потере скважин и необходимости оставления охранных целиков между подэтажами, что вызывало значительные потери запасов. Избежать этого удавалось при оптимальном распределении взрывчатого вещества с высокой концентрацией в скважине, т.е. увеличении внимания к процессу заряжания.
Общая характеристика кимберлитовых трубок
Кимберлитовые трубки взрыва представляют собой чаще всего округлые очертания отверстий, пробитых в верхней части земной коры от промежуточного (сателлитного) магматического очага до дневной поверхности и реже более сложную конфигурацию. В вертикальном сечении трубки взрыва представляют собой узкий канал в толще вмещающих пород. Наземная постройка над вулканическими трубками обычно отсутствует, ибо через трубки взрыва на дневную поверхность поставляется относительно небольшое количество вулканического материала. Синонимами термина трубка взрыва являются вулканическая трубка, диатрема, жерло, канал прорыва, и др. По составу пород, выполняющих трубки взрыва, они подразделяются на две большие группы: кимберлитовые и туфобазальтовые. Осадочные породы на контакте с кимберлитом претерпевают ряд видимых изменений как механического, так и гидротермального характера. В результате механических воздействий пласты вмещающих пород обычно изгибаются вверх с образованием приконтактной зоны с интенсивной трещиноватостью шириной 5 - 20 м, куда проникают постмагматические растворы и газы. В зоне контакта наблюдается незначительное ороговикование и уплотнение вмещающих пород. Такие изменения хорошо увязываются с представлением о взрывном характере внедрения кимберлитовой магмы. Обычно наблюдающееся расширение трубки к поверхности также находит логическое объяснение в процессах взрыва. Следует отметить слабое температурное воздействие магмы на боковые породы. Аналогичные изменения верхнего кимберлитового слоя установлены для кимберлитовых трубок Африканского материка [20]. Форма и размеры ряда кимберлитовых месторождений Якутии и Африки представлены на рис. 2.2 и 2.3, а краткая характеристика трубок взрыва, выполненных кимберлитами, приведена в табл. 2.2. Площадь трубок изменяется в широких пределах от первых десятков квадратных метров до 150 гектар. Данные табл.2.2 и другие сведения о составе и примерном возрасте ксенолитов в кимберлитовых трубках позволяют сделать вывод, что вулканический очаг к моменту прорыва магмы на поверхность располагался над фундаментом или в самых верхних трещиноватых его частях, пограничных с осадочным чехлом. Морфологически жилы представляют собою тела небольшой мощности (менее 5 м), располагающиеся под различными (45-80) углами к дневной поверхности. Для них характерны: изменчивость простирания, раздувы и пережимы. Кимберлитовые дайки - это линейные тела, располагающиеся перпендикулярно или под крутыми (80) углами к поверхности, с ровными параллельными контактами и многократным превышением протяженности над мощностью, колеблющейся в пределах 10—40 м. Тела, принадлежащие к разным морфологическим типам, четко различают по строению и вещественному составу выполняющих их кимберлитовых пород. При всем многообразии выделенных разностей, все кимберлитовые породы четко разделяются на два крупных генетических типа: 1. Интрузивные кимберлиты. 2. Эксплозивные кимберлитовые брекчии. Интрузивный кимберлит представляет собой магматическое образование без обломков прорванных пород, обладающее порфировой структурой. К первичным породообразующим минералам кимберлита относятся оливин, флогопит, пироп, ильменит, диопсид, перовскит и апатит. Основная масса породы характеризуется мелкокристаллической структурой. Под эксплозивной кимберлитовой брекчией понимают сложное образование, состоящее на 10-90% из обломков прорванных и вмещающих пород, интрузивных кимберлитов и родственных им включений, сцементированное кимберлитовым расплавом. Таким образом, эти два крупные генетические типа кимберлитовых пород разделяют по текстурно-структурным особенностям. Интрузивные кимберлиты формируются в гипабиссальных условиях и выполняют жилы и дайки в толще осадочных пород. Эксплозивные кимберлитовые брекчии формировались в результате заполнения кимберлитовым расплавом и обломками вмещающих пород трубчатого канала, образование которого связывается с взрывными процессами. Как видно из приведенной схемы (табл.2.3), все кимберлитовые породы разделены на два крупных генетических типа, которые, в свою очередь, подразделяются на три фациальные разновидности: жильную, дайковую и жерловую. Для интрузивных кимберлитов жильной фации характерно полное отсутствие обломков прорванных и вмещающих пород. Они обладают массивной текстурой и порфировой (мелкопорфировой) структурой с мелкокристаллической основной массой. В качестве порфировых выделений служат кристаллы оливина и флогопита. Размеры этих выделений не превышают 1 см. Интрузивные кимберлиты в дайках характеризуются крайне незначительным (до 1%) содержанием обломков вмещающих пород, располагающихся обычно в приконтактовых зонах. Текстура их массивная, а структура крупнопорфировая с мелкокристаллической основной массой. Порфировые выделения представлены крупными (до 2—3 см) кристаллами оливина, граната-пиропа, флогопита и ильменита.
Геокриологические условия
Все кимберлитовые месторождения Якутии залегают в зоне сплошного распространения многолетнемерзлых пород. В вертикальных разрезах выделяют [65,66]: - деятельный слой - слой максимального зимнего промерзания и летнего оттаивания. Мощность деятельного слоя зависит от характера слагающих его пород и изменяется от 3 до 5 м; - многолетнемерзлые породы развиты до глубины 300-330 м и перекрывают сплошным мощным экраном метегеро-ичерский водоносный комплекс. Затухание годовых изменений температур в зоне многолетней мерзлоты происходит на глубине 12-15 м; - морозные породы залегают в интервале глубин от 300-330 до 450-490 м, породы насыщены криогенами (рассолы с отрицательной температурой); - в интервале от 450-490 до 760-780 м залегают галогенно-карбонатные породы, имеющие отрицательную температуру, но не содержащие в своей структуре лед. Отрицательная температура пород (нулевая изотерма) была зафиксирована на глубине 760-780 м (табл.3.6.). 3.6. Физико-механические свойства кимберлитов Кимберлиты можно подразделить на 3 широкие разновидности горных пород: гипабиссальные породы, туфовые брекчии и кратерные. Зависимость физических свойств от литологических различий показана в табл. 3.7. [1]. Кимберлиты Якутии в нижних горизонтах относятся к породам малопрочным и средней крепости. Прочность кимберлитов на сжатие изменяется от 15 до 24 МПа, увеличиваясь иногда до 49 МПа. Рудное тело характеризуется средней трещиноватостью (от 2-3 до 5-10 трещин на 1 п.м). Практически все трещины минерализованы. Основной заполнитель трещин -галит (соленасыщенность кимберлитов - 1,9%) [19,67]. Физико-механические свойства пород представлены в табл. 3.8. Плотность руды в среднем составляет 2,5 т/мЗ. В максимально соленасыщенных образцах ее значения уменьшаются до 2,20-2,30 т/мЗ, увеличиваясь до 2,80-2,85 т/м в образцах с сульфидной минерализацией за исключением долеритов. Коэффициент общей пористости руды составляет 5 -10 %. Коэффициент разрыхления кимберлитов, определенный по верхним горизонтам, колеблется от 1,49 до 2,3 и в среднем составляет 1,7. Кимберлиты глубоких горизонтов по классификации Протодьяконова относятся к малопрочным и средней прочности. Коэффициент крепости колеблется от 2 до 5. По деформационно-прочностным характеристикам кимберлиты оцениваются как удароопасные. Гидрогеологические условия района расположения месторождений трубок «Мир», «Интернациональная» и их прикарьерной зоны характеризуются весьма сложной гидродинамической и газогидрохимической обстановкой, определяющейся наличием в разрезе весьма неравномерно трещиноватых водовмещающих пород, легкорастворимой каменной соли, высокоминерализованных и газонасыщенных растворов и многолетнемерзлых пород. Природные гидрогеологические условия существенно нарушены в результате ведения горных работ [68, 69, 70]. Любые возможные схемы защиты горных работ от подземных вод должны учитывать следующие основные особенности гидрогеологических условий месторождений и их изменений, произошедших в процессе вскрытия руд карьером, в результате водопонижения, сооружения тампонажных завес или обратной закачки в пласт откачиваемых из карьера рассолов. Наиболее точно гидрогеологическую обстановку на трубках «Мир» и «Интернациональная» характеризуют наблюдения произведенные в процессе отработки запасов карьером «Мир», которые заключаются в следующем:метегеро-ичерский водоносный комплекс, обводняющий месторождение, залегает в интервале глубин 210-5 00м. Его кровля приурочена к нижней границе многолетнемерзлых пород на абсолютных отметках (+ 5) - (+ 20)м, подошва на отметках (-150) - (-160)м, мощность 170-180м. Статический уровень до начала водопонижения находился на абсолютных отметках 210-215м. Напор над кровлей 200м. Подошвой служат гипс-ангидритовые образования, залегающие на пластово-трещинных интрузиях долеритов мощностью до 20-26м; трещины в долеритах заполнены гипсом и ангидритом;- водовмещающие породы водоносного комплекса, представленные трещиновато-пористыми известняками и доломитами, чередуются со слабопроницаемыми отложениями, разделяющими водоносный комплекс на 9-10 коллекторов, различающихся по водопроводимости; наибольшей водопроводимостью характеризуется 8-ой коллектор мощностью около 50м, представленный ичерскими карбонатными породами. На этот коллектор приходится более половины всей водопроводимости, и он играет наибольшую роль в обводнении месторождения. Подошва горизонта 8-го коллектора находится на отметках около (-125м). Ниже залегают слабообводненные терригенно-карбонатные породы 9-го коллектора, водопритоки из которых незначительные;- фильтрационные свойства водовмещающих пород неоднородны не только в разрезе, но и по площади, а развитые здесь тектонические нарушения играют как барражирующую роль, так и служат зонами повышенной проницаемости и обводненности.
В результате исследований установлено, что дебиты водопонижающих скважин на северном и южном борту карьера (зона параллельного разлома) существенно превышали дебиты скважин на западном и восточном флангах.
Проблемы перехода к подземной разработке кимберлитовых трубок России
Переход на подземную разработку кимберлитовых месторождений России, где в толще вмещающих пород имеются водоносные комплексы, связан с защитой подземных горных работ от подземных вод и растворенных в них газов. От того, насколько полно будет решена эта задача, зависит не только безопасность производства, но и технико-экономическая эффективность всех звеньев последующей цепи технологических процессов. Особенность дренажных работ на некоторых месторождениях Якутии заключается в том, что требуется практически полная изоляция подземных выработок от подземных вод, поскольку в них присутствует растворенный сероводород. Кроме этого в ряде случаев требуется утилизация дренируемых подземных вод, которые в связи с высокой их минерализацией нельзя размещать в поверхностных водоемах по экологическим соображениям. Карьер является фактором, существенно осложняющим подземную разработку залежи, особенно если часть его уступов являются рудными, однако его пространство может быть использовано для вскрытия, подготовки и добычи руды, что особенно важно при большой глубине производства открытых горных работ [78,79]. Отмеченные возможности использования карьерного пространства и его коммуникаций для решения задач подземной разработки кимберлитовых трубок являются не единственными и перечень их значительно шире. Известно положение о том, что схема вскрытия подземного рудника определяет его последующие возможности по транспорту полезного ископаемого, грузов и людей, по управлению технологическими процессами и, что особенно важно, по обеспечению безопасных условий труда. Конкретные условия залегания рудных тел или другие привходящие факторы (состояние земной поверхности, сокращение сроков строительства и др.) не являются поводом для упрощения схем вскрытия за счет ухудшения их функциональных характеристик. Специфические климатические условия региона, газопроявления в различных формах, возможность аэродинамической связи карьерного пространства с подземными горными выработками требуют разработки и принятия гарантированной системы жизнеобеспечения рудника. Особенность полезного ископаемого, представленного кристаллами алмазов, предъявляет дополнительные требования к технологии отделения руды от массива. Следует учитывать, что при использовании буровзрывного способа в результате ударного воздействия взрывов качество алмазов ухудшается. Эффективное освоение месторождение полезных ископаемых связано с необходимостью четкого представления о предшествующих и сопровождающих подземную разработку геомеханических процессах, их использовании при выработке технологических решений [78]. Безусловно, при решении проблемы перехода на подземную разработку кимберлитовых месторождений Якутии возникает целый ряд сложнейших геомеханических задач, особенно в зоне непосредственного примыкания подземных горных работ к карьеру. Однако это не означает, что на стадии научного обоснования технологических решений следует априорно отказаться от возможного использования высокоэффективных технологических схем.
Подземная разработка на большинстве кимберлитовых месторождений Якутии, в силу сложившихся обстоятельств, будет осуществляться только после завершения открытой добычи. Кроме общих свойств, каждое из месторождений обладает специфическими особенностями. Так особенностью рудника «Мир», как было показано выше, является наличие вскрытого карьером водоносного горизонта. Однако этот фактор ни здесь, ни на других трубках не может рассматриваться в качестве основного аргумента отказа от применения на руднике технологий, например с принудительным обрушением руды. В определенное время на месторождении присутствовала необходимость в поддержании объектов (карьер и водоносный комплекс), охрана которых и могла являться основной функцией закладки. После завершения отработки карьерных запасов охраняемый объект на месторождении «Мир» может возникнуть лишь после принятия решения о затоплении карьера или, как принято в настоящее время, использование его как водосборника с последующей откачкой воды на поверхность [80]. Как известно, система разработки, прежде всего, должна гарантировать безопасность работ и по возможности обеспечивать [81,82,92]: - высокую производительность труда и интенсивность отработки запасов шахтного поля; - минимальные потери и разубоживание руды; - благоприятные условия для механизации горных работ; - минимальные затраты на добычу руды. Выбор технологии, и принятие других решений, связанных с подземной разработкой полезных ископаемых основывается на анализе влияния факторов, присущих данному месторождению и последующем технико-экономическом сравнении конкурентноспособных вариантов. Существует несколько десятков технико-экономических показателей в той или иной степени характеризующих систему разработки, однако чаще используются те, сравнительная оценка которых достаточна для принятия обоснованного решения по применению или отказу от использования соответствующего технологического варианта. После отбора возможных к применению вариантов систем с учетом закономерностей формирования кимберлитовых трубок, для окончательного
