Республика Саха (Якутия) – самый крупный территориальный субъект Российской Федерации, а вся территория Якутии входит в зону многолетней мерзлоты. Значительная часть бюджета республики формируется за счет минерально-сырьевого комплекса, что предопределяет широкое развитие горных работ на ее территории и нахождение в отработке множества месторождений. При этом следует отметить, что по имеющимся данным ученых-экологов на 63 % суши Земли, пригодной для освоения, природные экосистемы уже разрушены (или уничтожены), что не позволяет сохранять благоприятную экологическую обстановку в ряде регионов [1]. Поэтому разработка и обоснование технических решений, направленных на повышение эффективности горных работ, снижение экологической нагрузки на окружающую среду является актуальной и важной задачей.
Целью данного исследования явилась разработка стратегии обоснования эффективности способа открытой разработки месторождений криолитозоны с новым элементом карьерного пространства – блоками активного климатического воздействия, обеспечивающего снижение себестоимости ведения горных работ и уменьшение негативного влияния на окружающую среду.
Исходным материалом для аналитического исследования явилась совокупность технологий, способов подготовки и разработки грунтов в условиях криолитозоны.
Исследованиями многих ученых установлено, что прочность пород различного гранулометрического состава возрастает с понижением температуры. Так, например, Н.А. Цытовичем определено увеличение прочности глинистых грунтов более чем в 8 раз при понижении температуры до –10 °С [2]. Экстремальные суровые климатические условия и многолетняя мерзлота значительно осложняют ведение горных работ в таких условиях и требуют особого подхода к технологическим решениям, которые должны базироваться на прогнозе и учете температурно-механического состояния массива пород при технологических воздействиях, обосновании способов подготовки и разработки многолетнемерзлых пород к выемке и их разупрочнении.
Основными способами подготовки мерзлых пород к разработке в таких условиях являются естественная и искусственная оттайка, механическое и взрывное рыхление.
Способы подготовки путем естественной и искусственной оттайки основаны на учете известных распределений температуры в горных породах, в зависимости от глубины в различные периоды времени и зависимостях сопротивления мерзлых грунтов на изгиб разрыв и сжатие от их температуры [2–4]. Самый простой и дешевый способ разупрочнения мерзлых пород – это естественное оттаивание многолетнемерзлых пород под воздействием солнечной радиации. Он широко применяется в сочетании с послойным оттаиванием, когда требуется осуществить ускоренную оттайку на максимальную мощность. Интенсивность оттайки зависит от частоты снятия талого слоя, который рекомендуется снимать не реже 1 раза в сутки. Такое оттаивание позволяет разрабатывать россыпные месторождения до глубины 6–8 м.
Искусственная оттайка предполагает затопление поверхности, игловую гидрооттайку, фильтрационно-дренажную оттайку, оттайку при помощи электрического тока, комбинированные способы оттайки, оттаивание открытым огнем и еще множество различных комбинаций технических решений.
Наиболее распространенным методом здесь является гидроигловой, нашедший наибольшее применение на дражных полигонах. Это позволяет интенсифицировать технологические процессы и увеличить глубину открытой разработки россыпи.
В условиях, когда коэффициент фильтрации рыхлых отложений, слагающих торфа, превышает 50 м/сутки, применяют фильтрационно-дренажную оттайку, которая может применяться при подготовке пород к выемке.
Так, например, известен способ гидравлического оттаивания включающий удаление почвенно-растительного слоя на оттаиваемом участке, сооружение параллельных питающих и дренажной канавы, пробуривание между ними линейных рядов скважин, размещение в нижних и верхних частях скважин рассредоточенных зарядов ВВ. Глубина скважин и масса зарядов ВВ увеличиваются в направлении от питающей к дренажной канаве. Взрывание зарядов ВВ производят с замедлением от верхнего заряда к нижнему и с замедлением в направлении от питающей канавы к дренажной, создавая таким образом наклонные фильтрационные каналы в массиве мерзлых горных пород и обеспечивая оттаивание пород путем движения подогретой за счет солнечной энергии воды через питающую канаву и фильтрационные каналы к мерзлым породам [5].
Из способов подготовки пород к выемке с гидравлической оттайкой заслуживает внимание изобретение [6]. На практике, подача жидкости на подготавливаемый полигон, осуществляемая по наземным коммуникациям, часто осложнена рельефными условиями, удаленностью водных источников, неустойчивостью лежащих на дневной поверхности оттаявших пород и т.д. Для упрощения подачи жидкости на подготавливаемый полигон предложено жидкость подавать с аэростатического аппарата, размещенного над подготавливаемым полигоном.
Авторами [7] предложен способ подготовки мерзлых россыпных месторождений к промывке, включающий удаление верхнего слоя грунта до металлосодержащих песков и оттайку мерзлого грунта распределенным на его поверхности теплообразующим реагентом – плавом хлоридов в сухом виде.
Механическое рыхление с использованием бульдозерно-рыхлительных агрегатов широко распространено при разработке крепких, глинистых, мерзлых, сцементированных и рыхлых пород. Здесь различают мелкое рыхление (на глубину 0,2–0,5 м) и глубокое рыхление – на глубину более 0,5 м. Цель мелкого рыхления – повышение интенсивности естественной оттайки и облегчение послойной отработки сцементированных или глинистых пород. Глубокое рыхление применяют на вскрышных работах, а также при проведении открытых выработок различного назначения.
При взрывных работах различают мелкошпуровое рыхление, рыхление взрывными скважинами и взрывными выработками. Буровзрывное рыхление нашло наибольшее применение на вскрышных и горно-подготовительных работах.
Результаты исследований по разупрочнению, подготовке мерзлых пород к выемке и разработке мерзлых россыпей изложены во многих работах [8–10].
Вопрос обоснования эффективных технологических решений актуален на любом этапе открытых горных работ. Главная задача обоснования технических решений при открытой разработке месторождения всегда одна – найти оптимальный (рациональный) способ подготовки, выемки, транспортировки горной массы, обеспечивающий максимальное соотношение между полезным эффектом и затратами на его получение.
Путей обоснования рациональных технических решений может быть множество, но при этом для открытого способа разработки характерны такие общие, базовые закономерности, как цикличность развития горных работ, динамичность рабочих забоев, соразмерность и динамичность развития горных работ на смежных уступах карьера, которые в обязательном порядке отражаются при проектировании карьеров [11].
Анализ основных способов подготовки мерзлых пород к выемке показывает, что самым простым и малозатратным способом подготовки пород к выемке является естественная оттайка. Недостаток данного способа – ограничение по глубине оттаявшего слоя и зависимость от климатических условий. Воздействие солнечной радиации распространяется только на поверхность полигона.
Искусственная оттайка предполагает интенсификацию этого процесса по глубине полигона путем использования различных способов и средств. Недостаток – дополнительные материальные затраты по отношению к способу разупрочнения пород путем естественной оттайки.
Механическое рыхление предполагает воздействие на массив в поверхностном слое породы на заданную величину. Недостаток – негативное экологическое воздействие и материальные затраты.
Взрывное рыхление предполагает воздействие разрушения на заданную глубину. Недостаток – негативное экологическое воздействие, материальные затраты, ограничение по возможности применения на алмазоносных россыпных месторождениях (по критерию сохранности кристаллов алмазов).
Анализ технологий, способов подготовки и разработки грунтов в условиях криолитозоны показал, что возможности использования солнечной радиации как самого дешевого способа воздействия на массив многолетнемерзлых пород можно значительно расширить. Все вышеописанные технологические приемы ведения горных работ и способы подготовки многолетнемерзлых пород к выемке в условиях Севера с использованием классических элементов карьерного пространства имеют один общий недостаток: положительный эффект растепления, разупрочнения массива под воздействием солнечной инсоляции осуществляется путем использования одной или двух поверхностей обнажения – обычно это поверхность полигона или откос и площадка уступа.
На рис. 1 на примере одного из месторождений центральной Якутии показана динамика температурных полей в массиве многолетнемерзлых пород [12].
Воздействие солнечной инсоляции на массив многолетнемерзлых горных пород, а соответственно, его разупрочнение можно усилить, создавая зоны интенсивного тепломассопереноса в горных породах путем формирования новых элементов карьерного пространства – блоков активного климатического воздействия (далее – блоки АКВ) [13].
И в данном случае блок АКВ в поперечном сечении имеет уже не одну-две поверхности обнажения, а три, что при определенных условиях оказывает существенное влияние на его термомеханическое состояние (рис. 2).
Рис. 1. Температура массива многолетнемерзлых пород по глубине наблюдательной скважины в течение года
Рис. 2. Подготовка горных пород к выемке блоками активного климатического воздействия
Предлагаемый способ открытой разработки месторождений криолитозоны с новым элементом карьерного пространства – блоками активного климатического воздействия включает подготовку земной поверхности, горно-капитальные и горно-подготовительные работы, вскрышные и добычные работы, подготовку пород к выемке (бурение, заряжание, взрывание), выемочно-погрузочные работы, перемещение горной породы (транспорт пустых вскрышных пород и полезного ископаемого), и отвалообразование. В процессе подготовки очередного горизонта создают зоны интенсивного тепломассопереноса в горных породах в виде блоков активного климатического воздействия (блоки АКВ) путем прохождения выработок, служащих для создания дополнительной обнаженной поверхности блока АКВ.
Параметры блоков, время их формирования и отработки определяют с учетом температурно-климатических характеристик района работ, теплофизических свойств горных пород, характеристик горно-добычного оборудования во взаимосвязи со степенью разупрочнения массива пород в блоке.
Такое конструирование рабочей зоны карьера создает возможность управления термомеханическим состоянием массива мерзлых пород путем оптимизации параметров блоков АКВ и является новым с точки зрения проектирования открытых разработок на месторождения криолитозоны.
Предлагаемая технология ведения горных работ обладает следующими преимуществами:
– управляемость состоянием массива пород в блоке достаточно высока за счет дополнительной свободной поверхности и возможности применения для его оттайки и разупрочнения различных способов и средств в наиболее благоприятных условиях;
– интенсифицируется тепломассоперенос в массиве горных пород блока;
– снижается себестоимость разработки месторождения;
– уменьшаются вредные выбросы в атмосферу.
Предложенное техническое решение имеет особую актуальность для районов Крайнего Севера и Арктики где воздействие горных разработок на окружающую среду очень значительно [14]. И в этом случае разработка месторождений с применением блоков АКВ по породам, требующим буровзрывного рыхления, сокращает объем взрывных работ и, соответственно, вредные выбросы, а в отличие от технологии разработки с послойным снятием грунта предполагает работу горной техники на полигоне не в течение всего сезона а лишь в период времени, затрачиваемого на проходку выработок служащих для создания дополнительной обнаженной поверхности блоков активного климатического воздействия и уборки блоков АКВ.
Для обоснования эффективности применения технологии ведения горных работ с использованием блоков АКВ необходимо решение следующих важных задач:
1. Анализ горнотехнических и климатических условий характеристик россыпных месторождений.
2. Установление закономерностей распределения температуры в массиве горных пород применительно к конкретным месторождениям.
3. Разработка математической модели прогноза температурного поля в блоке АКВ сформированном в различные периоды года.
4. Разработка математической модели прогноза динамики температурного поля в блоке АКВ в процессе ведения горных работ для различных температурно-климатических периодов.
5. Разработка новых эффективных технологических решений эксплуатации месторождений с использованием подготовки пород к выемке блоками активного климатического воздействия.
6. Выбор выемочно-погрузочного оборудования для открытой разработки россыпных месторождений с использованием блоков активного климатического воздействия.
7. Разработка методики исследования параметров технологии открытой разработки месторождений с использованием подготовки пород к выемке блоками активного климатического воздействия.
8. Установление зависимостей влияния параметров блоков АКВ, применяемых технологий разработки, геологических и горнотехнических условий эксплуатации, на эффективность разработки месторождений.
9. Разработка и обоснование принципов управления термомеханическим состоянием массива пород в контуре карьера блоками активного климатического воздействия.
10. Разработка методики расчета экономической эффективности технологий открытой разработки россыпных месторождений с использованием блоков АКВ.
11. Обоснование критериев принятия решений по открытой разработке месторождений зоны многолетней мерзлоты с использованием блоков активного климатического воздействия.
Решение вышеизложенных задач позволит обосновать условия применения и параметры эксплуатации месторождений с управлением термомеханическим состоянием массива мерзлых пород блоками АКВ на карьерах Севера.