Особенности разработки пологих золоторудных жил на больших глубинах
Сабянин Г.В. — кандидат технических наук (УРАН ИПКОН РАН)
Рудоносная площадь имеет длину 350 и ширину до 100 км. Запасы золота оцениваются десятками тыс. т при содержании золота 8-20 г/т. Кроме золота, руды Витватерсранда содержат уран в пределах от 0,02 до 0,04 % (редко 0,1 %). Запасы урана в таких убогих рудах оцениваются в 300 тыс. т. В пределах рудоносной площади развиты породы трёх ярусов: нижнего, сложенного гнейсами и кристаллическими сланцами архея, среднего, состоящего из сланцев, кварцитов, конгломератов и вулканических пород витватерсрандской, вентерсдорпской и трансваальской систем позднего докембрия, смятых в складки, и верхнего, состоящего из пологолежащих континентальных отложений верхнего палеозоя. Рудные тела состоят из пачек витватерсрандских конгломератов, разделённых прослоями безрудного кварцита. Конгломераты образуют так называемые рифы, промышленные разновидности их называются банкетами; мощность отдельных пачек конгломератов от 2-3 см до 3 м, протяжённость — десятки км до глубины 3- 4 км. Рудоносные конгломераты сложены галькой светлого кварца, сцементированной тонкозернистым кварцем, хлоритом, карбонатом, углистым веществом и сульфидами, преимущественно пиритом. В обломочной фракции среди цемента установлены хромит, циркон, шпинель, гранат, рутил, алмаз, апатит, монацит, сростки осмистого иридия и платины. Золото разделяется на первичное, содержащееся в тонкодисперсной форме в сульфидах, и вторичное, тонкими прожилками пересекающее гальку и её минеральный цемент. Урановые минералы представлены тухолитом, уранинитом, браннеритом.
Рис. 1. Двухкрылая выемка жилы в поле рудника «Вестерн Дип Левелс»
В настоящее время на всех золотоурановых рудниках Витватерсранда применяют систему разработки со сплошной выемкой руды, приспосабливая её к конкретным горно-геологическим условиям. Обычная подготовка при этой системе состоит из проведения полевых (в лежачем боку, на расстоянии до 30 м от жилы) и рудных штреков, соединяемых сбойками. Рудные штреки часто проходятся одновременно с подвиганием очистного забоя или с небольшим опережением. Смежные горизонты сбивают наклонными восстающими, проходимыми по рудному пласту через одинаковые интервалы.
Рис. 2. Схема пикообразной выемки
а — узкая пика
б — широкая пика
Рис. 3. Сплошная система разработки с выемкой по восстанию
Рис. 4. Система разработки двумя короткими спаренными лавами со скреперной доставкой непосредственно вдоль фронта очистных работ
1 — скреперная доставка в лаве;
2 — скреперная доставка в выемочном штреке;
3 — гидравлические стойки с взрывным пологом;
4 — деревянные костры;
5 — вермикулитовая стенка;
6 — вентиляционный парус;
7 — установка для охлаждения воздуха с трубопроводом;
8 — бутовая полоса
Зона «жесткого» поддержания выработанного пространства, распространяющаяся в случае непрерывного протяжения рудного тела до глубины 600 м от поверхности и до 900 м при наличии неотработанных больших включений пустых пород или бедных участков. Жесткое поддержание выработанного пространства применяется и до глубины 1500 м при отработке нижележащих жил в свите, после того как вышележащие рудные тела уже отработаны, т.е. после так называемой разгрузки пород. Переходная зона на глубине от 600 до 1200 м, в которой управление горным давлением носит неустойчивый характер. Очень часто здесь плохо работает как жесткая крепь (в том числе оставленные целики), так и податливая.
Зона возможного проявления горных ударов на глубинах 1200-2400 м, в которой необходимы специальные мероприятия для предупреждения и снижения их интенсивности.
Рис. 5. Схема скреперной доставки в очистном забое
Первоначально на неглубоких горизонтах выемка золотоносных жил почти повсеместно производилась камерно-столбовой и сплошной системами разработки с оставлением безрудных участков и жестким поддержанием выработанного пространства целиками. Местами применяли также и деревянное крепление очистных забоев.
С увеличением глубины горных работ усилилось давление, и оставленные ранее целики начали разрушаться. Это вынудило увеличить их размеры и тем самым уменьшить извлечение руды. На отдельных рудниках запасы руды в целиках достигали 70 %.
Рис. 6. Вариант сплошной системы разработки с креплением и закладкой выработанного пространства
Для добычи руды на глубоких горизонтах была разработана эффективная и достаточно безопасная геотехнология — сплошная, с выемкой жил длинными забоями-лавами по простиранию, с креплением и частичной или полной закладкой выработанного пространства породой, поступающей от подрывки боковых пород в лавах при выемке маломощных жил, из бутовых штреков или от проходки капитальных и подготовительных выработок.
Применение этой системы вдвое снизило частоту горных ударов на больших глубинах, повысило концентрацию очистных работ и способствовало улучшению проветривания очистных забоев.
Разработка длинными лавами может быть представлена, как разработка многими короткими лавами, забои которых вытянуты примерно по одной линии и подвигаются с одинаковой скоростью, причем длина выемочных столбов по простиранию составляет 800-1000 м, а по падению общая длина фронта очистных работ достигает иногда 1000 м (рис. 1). То есть используется так называемая пикообразная восходящая или нисходящая выемка, особенностью которой является небольшое смещение (опережение или отставание) отработки смежных коротких лав или подэтажей на 10 м (рис. 2, 3). Эта технология применяется на глубинах более 3 км. По мере продвижения очистной выемки происходит плавное оседание пород висячего бока.
Порядок отработки выемочных участков в подавляющем большинстве случаев определяется содержанием золота в руде и ведется от более богатых зон к непромышленным участкам. Охранные целики в пределах выемочных участков не оставляются. Подготовка выемочных участков производится полевыми штреками, которые проводятся на расстоянии 36 м (по нормали) от контакта пород лежачего бока через каждые 100 м по падению. По жиле проходят выемочные штреки и разрезные восстающие, которые сбиваются рудоспусками и ходками с полевыми штреками и квершлагами. Число этих выработок определяется местными условиями рудников. Обычно рудные штреки расположены через 40-55 м по падению, а восстающие — через 150-300 м до простиранию.
Рис. 7. Камерно-столбовая система разработки на руднике «Нью-Квирк»
Отбитая руда вдоль забоя лавы скреперуется к выемочным штрекам или разрезным восстающим с помощью лебедок мощностью 22 кВт, а затем доставляется в рудоспуски также скреперными установками мощностью 45-56 кВт. На подэтажах применяется также доставка руды в рудоспуски по рельсам в 1-тонных вагонетках. На основных откаточных горизонтах руда в 2-тонных вагонетках по 10-20 штук в составе транспортируется с помощью дизелевозов к шахтным стволам.
Длинный фронт очистных работ разделяют на отдельные лавы по двум причинам. Во-первых, каждая лава является отдельной организационной единицей по отбойке руды буровзрывным способом. Вторая причина обусловлена способом доставки руды в лаве.
Применяют два способа организации скреперной доставки в очистном забое. При одном из них скрепер работает непосредственно у забоя (рис. 4). Это выгодно в том отношении, что уменьшает затраты ручного труда, так как большая часть взорванной руды располагается на скреперной дорожке. Однако недостатком такой схемы является то, что в забое во время скреперования не могут находиться рабочие, и скреперование одновременно можно производить только через один участок лавы.
При другом способе организации доставки скрепер движется по специальной скреперной дорожке, удаленной от забоя на 2,5 м и отделенной от него рядом костров. Хотя при этом приходится затрачивать больше ручного труда на перекидку отбитой руды на скреперную дорожку, тем не менее, интенсивность работ в забое при таком способе доставки увеличивается. На рис. 5 показана последовательность работ при такой организации доставки. Скорость подвигания фронта очистных работ в золотых рудниках ЮАР обычно составляет 3-4 м/мес., а в некоторых случаях она достигает 5-15 м/мес.
Для повышения эффективности доставки руды применяют вибрационные скребковые и качающиеся конвейеры, которые входят элементами в комплексную систему механизированной добычи руды. При применении этой системы взрывная отбойка руды осуществляется непосредственно на шарнирный плоский конвейер, кроме которого в систему входит передвижная механизированная крепь для поддержания кровли со смонтированными на ней колонковыми гидроперфораторами для бурения взрывных скважин. Применение этой системы обеспечивает скорость продвижения очистного забоя до 16 м/мес. (при традиционном способе — 5 м/мес.). Качающийся скребковый конвейер с низкой опорной рамой отличается высоким сопротивлением износу при производительности в 5 раз выше, чем у скреперов.
Используется закладка выработанного пространства вместо оставления опорных целиков. Высокопрочный, поддающийся закачке закладочный материал можно получать путем последовательного дробления в щековой и центробежной дробилках пустой породы крупностью150 мм и доведения её до крупности -5 мм. Закладку подают поршневым насосом при массовой доле твёрдого в пульпе до 84 % по трубопроводу диаметром 40 мм и скорости подачи 2,5 м/сек. на расстояние более 2 км.
На руднике Грутлвей для разработки пологой жилы (угол падения около 6°) средней мощностью 0,36 м, залегающей на глубине 930-1530 м, применяют сплошную систему разработки с креплением и закладкой выработанного пространства (рис. 6). Руда представлена довольно прочными конгломератами. Покрывающие породы — устойчивые кварциты, лежачий бок сложен сланцами.
Блок с наклонной высотой 166-330 м разбивают на три подэтажа — панели. Выемку панелей ведут сплошным забоем по простиранию. Вначале от восстающего к флангам блока разрабатывают среднюю панель, а затем — от флангов к центру — верхнюю и нижнюю. По мере подвигания очистной выемки в средней панели в лежачем боку рудного тела проходят с отставанием на 6-10 м панельные штреки. Отбойка руды и породы раздельная. При полной высоте очистного пространства 1 м ширина опережающей щели по жиле 0,5 м. Для уменьшения разлета руды при отбойке шпуры располагают перпендикулярно линии очистного забоя. Для доставки рудной массы используют скреперные лебедки. Вмещающие породы обуривают наклонными шпурами, используя силу взрыва для отброса породы от забоя. Отбитую породу используют для закладки очистного пространства полосами, возводимыми по обе стороны восстающего и панельных штреков. Помимо породных полос выработанное пространство поддерживают распорной крепью.
В Южной Родезии сплошная система разработки применяется при углах падения рудного тела менее 40°. Доставка отбитой руды обычно производится при помощи скрепера. При углах падения 10-20° успешно используются качающиеся конвейеры. Длина центральной скреперной дорожки в случае применения нескольких скреперных установок иногда достигает нескольких сотен метров. Вариант со скреперованием вдоль очистного забоя применяется при малой мощности и спокойном залегании рудного тела. Расстояние скреперной дорожки от забоя принимается от 2,5 до 5-6 м. Вариант с откаткой руды по подэтажным выработкам до центрального уклона применяется при малой мощности и неспокойном залегании рудного тела. Расстояние между подэтажными выработками по падению составляет 6-8 м.
Подрывка пород висячего и лежачего боков обычно опережает выемку руды. Этот вариант имеет ограниченное применение из-за неровного контакта руды с вмещающими породами. Вариант сплошной системы с полевыми рудоспусками в лежачем боку применяется при пологом залегании массивных рудных тел. Для разработки золотых жил на больших глубинах наиболее приемлемым является вариант сплошной системы с выемкой длинными (около 1000 м) забоями.
На руднике «Денисон» относительно пологое залегание рудных тел (от 12 до 38°) предопределило применение вариантов камерно-столбовой системы разработки с широким использованием на бурении шпуров, погрузке и доставке отбитой руды самоходного дизельного пневмоколесного оборудования.
Подготовительные выработки проходили по простиранию, а очистные камеры отрабатывали по падению. Там, где мощность рудных тел превышала 3 м, а угол падения был менее 15°, на всех технологических операциях (буровых, погрузочных и транспортных) применялось пневмоколесное оборудование. При этом оставлялись целики примерно квадратной формы. Там, где мощность рудных тел была менее 3 м или угол падения превышал 15°, на доставке руды применяли скреперные лебедки. В этом случае узкие целики длиной 75 м оставляли по падению рудного тела и, кроме того, на границе отрабатываемых камер оставляли подштрековые целики. Высота очистного пространства для единичных жил в среднем изменялась от 1,8 до 4,5 м.
Рудник «Нью-Квирк» разрабатывает урановое месторождение, представленное пластами мощностью от 1,8 до 6 м с углом падения около 23°. Содержание урана в руде составляет 0,15 %, или 1,5 кг/т. Вмещающие породы — кварцевый конгломерат, диорит и андезит. Месторождение залегает на северном крыле узкой синклинали озера Квирк, перегиб которой находится на глубине 1500 м. Урановые пласты на горизонтах вскрыты этажными квершлагами и подготавливаются штреками с последующей разбивкой на панели шириной 120 м по падению. Однако транспортирование отбитой горной массы к подъемным стволам производится по специальным выработкам сечением 3х3 м, пройденным по породе в лежачем боку на 9 м ниже этажных штреков, с которыми они через определенные интервалы сбиваются короткими уклонами (рудоспусками). На горизонтах применяется рельсовая откатка.
Месторождение отрабатывается камерно-столбовой системой разработки с разбивкой на камеры длиной 120 м и шириной 20 м, разделенные целиками шириной 3 м (рис. 7). По контакту с кровлей пласта с нижнего на верхний штрек проходят два параллельных восстающих сечением 2,1х2,1 м длиной 120 м, разделенные целиком шириной 3 м, в котором через определенные интервалы проходят сбойки, необходимые для проветривания камер и удобства ведения горных работ. Отбитую горную массу доставляют скреперами к рудоспускам, по которым перепускают в полевые выработки для перевозки к подъемным стволам. После проходки восстающих с помощью скважин, пробуриваемых в почву, уточняют мощность ураноносного пласта и таким образом определяют толщину слоя для последующей выемки. Начиная от этих восстающих камеру расширяют до 20 м путем последовательной выемки слоев толщиной 1,5 м.
При выемке камер кровлю очистного пространства крепят штангами длиной от 1,2 до 2,4 м, которые устанавливают по сетке 1,5х1,5 м. Над штрековые целики шириной 4,5 м извлекают обратным ходом, а потолочины толщиной 3 м обычно не отрабатывают. Камерно-столбовая система обеспечивает извлечение около 85 % запасов руды.
Опубликовано в журнале «Золото и технологии», № 1 (4)/февраль 2009 г.