Майк Сэнди (Mike Sandy), главный инженер-геотехник АМС Consultants, руководитель направления — геотехника; Лео Доусон (Leo Dawson), главный горный инженер АМС Consultants
https://amcconsultants.com/ru/
С тех пор как в середине 1990-х годов профессор Деннис Лобшир опубликовал фундаментальную работу «Система разработки с обрушением: современный уровень развития», практика отработки рудных тел с использованием систем с самообрушением горной массы получила развитие и стала применяться к более устойчивым типам горных пород и в более широком масштабе, став предпочтительным методом для рудников, отрабатывающих глубоко залегающие и массивные рудные тела.
Система разработки с помощью блочного обрушения, как видится, обеспечивает сравнительную эффективность и масштабность производства (валовая добыча), которые ранее считались возможными только при разработке крупных открытых карьеров. Видение и направление развития компаний, разрабатывающих новые крупные месторождения, заключается в достижении концепции автоматизированного «горного завода» с расчётом на то, что за первичной фазой проектирования и капиталоёмкого строительства последует фаза долгосрочного низкозатратного и надёжного производства. Однако опыт отрасли показывает, что это редко происходит в реальности: на самом деле история зарегистрированных инцидентов, происходящих при блочном обрушении по всему миру, демонстрирует, что лишь немногие рудники, использующие эту систему разработки, остаются незатронутыми потенциально катастрофическими несчастными случаями, которые по большому счету неизвестны в остальной горнодобывающей отрасли. Многие из таких инцидентов привели к значительному снижению эффективности рудников в сравнении с проектными ожиданиями. В данной статье рассматриваются некоторые из новых практик указанной системы разработки, а также последствия общеизвестных и менее известных рисков для рудников с системами разработки с самообрушением (валовая добыча), которые были выявлены за последние три десятилетия.
Общая информация
Блочное обрушение — это термин, используемый для способа подземной добычи, который заключается в подсечке крупного минерализованного горного массива с целью нарушения его устойчивости, что приводит к естественному отрыву и обрушению находящегося сверху вертикального рудного столба. Отбитую таким образом горную массу можно затем перепустить через сеть выпускных выработок, пройдённых в основании рудного блока. Процесс естественного обрушения приводит к значительному снижению количества производственных операций и сокращению затрат на экстенсивную отработку рудного тела, а также к уменьшению объёмов бурения и взрывных работ по сравнению с тем, что требуется при использовании традиционных систем разработки.
Обрушение горной массы происходит в результате разрушения по естественным трещинам в сочетании (в некоторых случаях) с новыми трещинами, образовавшимися в ослабленных жилах или в неповреждённом массиве. В данной статье термин «блочное обрушение» используется в общем смысле и включает блочное обрушение, панельное обрушение и другие варианты этой системы разработки.
Рудники и проекты, ведущие валовую добычу с применением системы с самообрушением, разбросаны по всему миру, как показано на рис. 1. Опыт, накопленный на ранней стадии эксплуатации современных механизированных рудников с системами разработки с блочным обрушением — Эль-Теньенте, Андина, Хендерсон и Премьер, в значительной степени способствовал формированию базы знаний и привёл к появлению указанной работы профессора Д. Лобшира (1995) и развитию множества современных рудников, применяющих эту систему разработки.
В середине — конце 1990-х годов появилось следующее поколение современных рудников, использующих системы блочного обрушения, с производительностью от 10 000 до 30 000 т/сут: Палабора, Нортпаркес, Риджвей и Фрипорт (Глубокая рудная зона в Индонезии — ГРЗ). Начиная с 2000 года было разработано несколько «суперрудников», применяющих систему с самообрушением: Кадия-Ист, Оюу-Толгой, Грасберг и расширение рудника Эль Теньенте. Их производительность составляет около 100 000 т/сут.
В качестве демонстрации размера финансовых обязательств, необходимых для разработки таких «суперрудников» новой эры, приведём пример рудника Грасберг, где применяется блочное обрушение. От начала проходки подходных выработок до добычи в первом блоке потребовалось 12 лет, а размер капитальных затрат составил 3,7 млрд долл. США [Де Вульф и Росс, 2016]. Проходка ствола на Оюу-Толгой началась в 2005 году, а первая добыча с использованием системы с обрушением ожидается только к 2023 году, при этом капитальные затраты составили 6,8 млрд долл. США [Turqoise Hill, 2020].
Способность массива к самообрушению
Ключевым нововведением профессора Д. Лобшира стало внедрение модифицированной рейтинговой классификации массива горных пород (MRMR) и ее применение при оценке потенциального обрушения блоков рудного тела с учётом комбинации оцененных горно-геологических условий и ожидаемых аспектов планирования обрушения.
Профессор Лобшир представил эмпирическую схему «обрушения» с точками, представляющими различные шахты, блоки или панели. Каждая точка определяется соответствующим значением MRMR и расстоянием или гидравлическим радиусом (ГР1) — «площадь» добычи.
Эта схема делится на «устойчивые», «переходные» и «обрушаемые» зоны. Путём сравнения значения MRMR (или диапазона ожидаемых значений MRMR) с планируемым гидравлическим радиусом «площади» добычи любой предлагаемый проект можно сравнить с известными контрольными проектами, чтобы определить «эмпирическую» классификацию устойчивости или потенциала обрушения (рис. 2).
Например, для гарантированного обрушения рудное тело, чьё значение МРМР, по оценке, равно 60, должно иметь минимальный гидравлический радиус 35 м, который называется «критический ГР». Для квадратной подсечки это равнозначно блоку размером 140 × 140 м.
ГР можно рассчитать для любой формы массива, хотя при удлинении формы подсечки в одном направлении необходимо соблюдать осторожность, поскольку увеличивается риск возникновения арочного эффекта поперёк более короткого участка массива. Браун (2007) считает, что ГР может быть удовлетворительным индикатором способности массива к самообрушению при соотношении его сторон менее 3.
Несмотря на широкое использование эмпирических схем для предварительной оценки потенциала обрушения, важно понимать их ограничения, в частности системы МРМР Лобшира. Она требует серьёзных инженерно-технических оценок и интерпретации для применения корректировок к измеренным параметрам массива горных пород и учёта структурного влияния и эффекта напряжения, характерных для конкретного горного участка.
Схема способности к самообрушению опирается на фактический опыт ведения горных работ в прошлом, многие из которых проводились для добычи горной массы с низкими показателями качества массива, при неглубокой разработке или слишком давно, и поэтому их трудно повторно проанализировать. Экстраполирование опыта за пределами плотно заполненных участков диаграммы несёт в себе повышенный риск неожиданного поведения горного массива.
Значительная часть последующих отраслевых исследований предпринималась с целью пересмотра этой системы, с тем чтобы она была более технологичной. Также предпринимались значительные усилия по применению более точных инженерных инструментов, в частности нелинейного численного моделирования. Эти инструменты могут более упорядоченно представлять процесс обрушения и связанное с ним физическое поведение массива горных пород.
Несмотря на ограничения, о которых говорилось выше, важность диаграммы Лобшира заключается в том, что впервые широкая группа горнотехнических специалистов смогла начать активно рассматривать блочное обрушение для новых проектов подземной разработки. Ранее этот способ разработки преимущественно развивался на уже эксплуатируемых рудниках и основывался на перспективных испытаниях, направленных на определение того, что работает эффективнее в известных горно-геологических условиях. С этим методом началась современная эра проектирования массивных блочных обрушений и применения данной системы разработки в более прочных породах в сочетании с интенсивной механизацией и технологиями автоматизации горных работ. Горнодобывающие компании, обладающие минимальными знаниями или опытом применения этого метода, внезапно бросили вызов парадигмам данного метода, который ранее считался способом разработки «на крайний случай», применимым только к очень неустойчивым рудным телам.
Лео Доусон, соавтор данной работы, в середине 1990-х годов представил опыт разработки месторождения Нортпаркес с помощью блочного обрушения (Доусон, 1995) в рамках новой эры проектов с использованием систем разработки с самообрушением. Важно отметить, что блочное обрушение на руднике Нортпаркес было спланировано в тесном сотрудничестве с рядом ведущих специалистов по геомеханике, включая профессора Д. Лобшира.
Майк Сэнди, другой соавтор этой статьи, опубликовал множество статей по геомеханике и в настоящее время консультирует ряд глобально значимых горнодобывающих компаний, включая несколько крупных рудников, где применяется система добычи с обрушением.
За 25 лет, прошедших с момента публикации основополагающей работы Д. Лобшира, произошло взрывное развитие новых аналитических методов и способов предварительной подготовки массива горных пород и его мониторинга, а также новых проектов по разработке месторождений с помощью обрушения. Метод блочного обрушения, при его правильном применении в подходящих рудных телах, обеспечил не имеющую аналогов производительность и эффективность подземных рудников, приближаясь по своей конкурентоспособности к глубоким открытым карьерам. Однако, прежде чем рассматривать применение блочного обрушения, потенциальные инициаторы проекта должны задать два важнейших вопроса, а именно: «Что нам необходимо знать, чтобы рассматривать блочное обрушение?» и «Каковы основные риски, связанные с блочным обрушением?».
Риски обрушения
Блочное обрушение поставило проектировщиков горных работ перед сложнейшей головоломкой: рудное тело должно быть достаточно неустойчивым, чтобы оно могло обрушиться, и в то же время достаточно устойчивым для того, чтобы оставаться стабильным во время подсечки массива и в ходе выемки отбитой руды. Точное планирование блочного обрушения требует детального знания рудного тела и вмещающих пород, подлежащих обрушению. Хеслоп (2000) считает, что отработка с помощью блочного обрушения отличается от большинства других способов разработки без самообрушения тем, что в ней геотехническая характеристика массива горных пород не менее важна, чем оценка распределения полезных ископаемых, а определение запасов руды требует «правильного понимания ресурсных и геотехнических моделей, факторов физического воздействия на направление выпуска горной массы и динамических влияний стратегии выпуска горной массы».
Блочное обрушение также должно быть спроектировано, выстроено и произведено в соответствии с самыми высокими стандартами ведения горных работ. На сегодняшний день эти требования оказались трудновыполнимыми, о чем свидетельствуют многочисленные крупные инциденты на всех известных рудниках, где применяется блочное обрушение. Де Вульф и Росс (2016) утверждают, что проекты разработки с обрушением горной массы редко завершаются вовремя и в рамках бюджета, а основным недостатком обрушения больших панелей является то, что в этом случае «нет альтернатив, если возникнут проблемы». Эти авторы считают, что такие проекты должны разрабатываться поэтапно.
Ряд серьёзных несчастных случаев при разработке с самообрушением, получивших большую известность в последние годы, были классифицированы и оценены в данной работе для наглядности, как показано в табл. 1.
Авторы настоящей статьи считают, что крупные инциденты при разработке с самообрушением произошли из-за одной или обеих причинно-следственных связей:
• недостаточные знания и анализ рудного тела: существенные геотехнические неопределённости не были должным образом разрешены, а анализ данных о породах был неточным или не обновлялся для включения новой информации;
• ненадлежащее планирование и управление обрушением: планирование горных работ было направлено на навязывание финансово предпочтительной системы разработки массива горных пород, а не на следование фундаментальным принципам планирования и управления обрушением. Хотя такие ситуации, как известно, стимулируют инновации, фактическое исполнение горных работ при таких условиях, как правило, связано с существенным риском.
Упрощённая схема начала блочного обрушения и его последовательности показана на рис. 3. В процессе выполнения последовательности обрушения может возникнуть ряд проблем. В качестве примера крупных инцидентов приведены следующие опубликованные случаи из практики.
Пример 1.
Большой воздушный карман и стерилизация рудного столба — пример рудника Нортпаркес (участок блочного обрушения E26, блоки 1 и 2) [Стегман и др., 2018].
В 2009 году на руднике Нортпаркес (1-й блок участка Е26) произошёл мощный воздушный удар, в результате которого погибли четыре работника шахты. Это трагическое событие было вызвано быстрым обрушением блока и катастрофическим падением потолочного целика в большой воздушный карман в освобождённом от руды пространстве, который образовывался в течение некоторого времени из-за медленного темпа блочного обрушения и чрезмерного выпуска горной массы на этапе продвижения обрушения блока.
Работы во 2-м блоке участка E26 велись по-другому: разработка очень быстро дошла до основания 1-го блока, в результате чего вокруг верхней части блока возникла значительная сейсмичность и происходили горные удары. Добыча на руднике прекратилась раньше, чем планировалось, по причине масштабного разубоживания глиной (из вышележащего блока 1), при этом было извлечено только 60 % запасов. В итоге было установлено, что этот инцидент в значительной степени являлся результатом незавершённого продвижения обрушения, что поставило под сомнение качество знаний о рудном теле, используемых для прогнозирования обрушения, включая моделирование, а также способность точно отслеживать продвижение обрушения.
Впоследствии выяснилось, что инициирование обрушения началось на ослабленном участке массива горных пород, что привело к быстрому и избирательному продвижению обрушения вглубь более слабого участка массива. Тем самым произошло изолирование руды из более устойчивого участка массива внутри полости обрушения.
Пример 2.
Значительные повреждения выработок на горизонте выемки и сейсмичность — пример рудника Эль-Теньенте, 4-й блок [Алвиал, 1992].
На руднике Эль-Теньенте уже более 100 лет применяется масштабная система блочного обрушения. До 1980-х годов большая часть добычи производилась из относительно неустойчивой «вторичной» руды. По мере продвижения горных работ в более устойчивую «первичную» руду в 4-м блоке на горизонте выемки наблюдалась сильная неустойчивость пород. Проблемы в основном были обусловлены напряжением пород, хотя взаимодействие с геологическими структурами, а также плохая проектировка и неправильная последовательность разработки также являлись важными сопутствующими факторами. Мощные горные удары и обрушение подготовительных выработок привели к серьёзному сбою в добыче, снижению извлечения запасов и дополнительным затратам на восстановление.
Общая площадь обрушения в 4-м блоке рудника Эль-Теньенте превысила 35 тыс. кв. м, что составляет почти 20 % площади производственного участка, где применялась система разработки с самообрушением.
Впоследствии было принято решение о переходе с горизонта 4-го блока на новый нижележащий добычной горизонт. Для сведения к минимуму риска повреждения добычного горизонта была разработана новая система инициирования обрушения, известная как «опережающая подсечка», предназначенная для внедрения на будущих участках добычи с высоким уровнем напряжения горного массива.
Пример 3.
Значительные повреждения выработок на добычном горизонте выемки и задавливание (деформация) выработки — пример рудника Каллинан (блок BA5) [Бартлетт и Кролл, 2000].
Серьёзные повреждения и задавливание выработок потребовали проведения масштабных восстановительных работ, ухудшили производительность и привели к стерилизации запасов. Неправильная интерпретация численного моделирования не смогла выявить геотехнические проблемы. Эти проблемы можно было бы выявить до того, как они приобрели серьёзный характер, с помощью тщательного документирования пород, лабораторных испытаний и подземного картирования в сочетании с мониторингом за горно-геологическими условиями.
Реакцией на возникшие осложнённые условия добычи стало изменение последовательности добычи в новых блоках на опережающую подсечку, введение строгого контроля за опережением/запаздыванием работ и общей последовательностью разработки, а также применение значительно улучшенного крепления.
Управление обрушением
Многие из проблем, описанных выше, скорее всего, возникнут на рудниках, где горные работы ненадлежащим образом спланированы или плохо управляются. Недостаточное знание рудного тела и характеристик массива горных пород значительно увеличивает риск того, что производительность не будет соответствовать ожиданиям.
И наоборот, хорошо структурированная и должным образом обеспеченная ресурсами программа геологических и геотехнических исследований в поддержку исследований для проектирования горных работ и в сочетании с эффективным управлением обрушением в ходе реализации проекта уменьшит риск снижения производительности работ.
Тщательно продуманная и внедрённая система управления обрушениями имеет важное значение для достижения запланированного увеличения производительности, темпов добычи и извлекаемости запасов. Как было описано Куэлло и Ньюкомбом (2018), от инициирования обрушения и проходки до полноценного производства процесс управления обрушением и связанная с ним стратегия выпуска горной массы имеют четыре основные цели:
1. Управление и, если необходимо, ограничение выпуска горной массы по мере увеличения первоначального освобождающегося от руды пространства в целях недопущения образования воздушного кармана.
2. Последовательность и планирование прогрессирующей подсечки для управления напряжением в опорном массиве обрушаемого блока.
3. Обеспечение продвижения обрушения согласно плану и при необходимости изменение стратегии выпуска горной массы, если обрушение на некоторых участках происходит слишком быстро или затрудняется изменяющимися геотехническими условиями.
4. Управление текущим выпуском горной массы из освобожденного от руды пространства для ограничения попадания разубоживающего материала и максимизации извлечения руды.
Надлежащее понимание прогрессии обрушения и реакции окружающего массива горных пород и чёткое представление о форме насыпи обрушенной горной массы имеют решающее значение для эффективного управления обрушением и в конечном счёте для извлечения запасов. Для достижения этой цели необходима должным образом разработанная и реализуемая программа мониторинга за обрушением.
Заключение
В настоящее время планируются и разрабатываются рудники с применением систем блочного обрушения для извлечения глубокозалегающих, массивных рудных тел в масштабах производства, аналогичных крупным открытым карьерам. Блочное обрушение также планируется, ведутся соответствующие подготовительные работы в горных массивах, о которых не имелось хорошего понимания до начала разработки проекта. Последствия ведения горных работ, приведённые в данной статье, оказались слишком дорогостоящими. Некоторые из этих проектов, скорее всего, не стали бы реализовываться, если бы их риски были поняты, а сами проекты должным образом оценены до начала их реализации.
Основываясь на знакомстве авторов с множеством проектов разработки с использованием систем с самообрушением, следует отметить, что ключевой ошибкой при такой разработке является то, что после того, как блочное обрушение было оценено как потенциально целесообразный способ добычи, который может быть применен для конкретного подземного рудного тела, эти проекты планировались и разрабатывались с самой ранней стадии с единственным потенциальным решением. Управление рисками при реализации крупных проектов по подземной добыче полезных ископаемых должно включать в себя доказательство концептуального опробования системы добычи в новых рудных телах, а альтернативные проектные решения должны сохраняться на этапах реализации проекта вплоть до финальной стадии принятия обязательств по реализации проекта.
Ключевой вывод данной статьи заключается в том, что при рассмотрении потенциального проекта добычи с применением блочного обрушения следует проявлять большую осторожность. Существует постоянная потребность в непрерывном развитии знаний о рудных телах и активном пересмотре проектных планов в ответ на меняющиеся знания. Необходимо проводить углублённые программы исследований, разрабатывать и активно управлять планом проекта, включающим оценку рисков, с тем чтобы обоснованные решения принимались только по мере получения соответствующей информации. В противном случае это, скорее всего, приведёт к неблагоприятному балансу рисков и вознаграждений при разработке предлагаемого проекта с использованием блочного обрушения.
1 ГР используется для описания расстояния, например, подсечки. ГР — это произведение площади блока обрушения в плане, разделённое по периметру.
Источники:
Alvial J, 1992. Analysis of the extraction at Teniente 4 Sur LHD, Proc. MASSMIN 92, SAIMM, Johannesburg.
Cuello D and Newcombe G, 2018. Key geotechnical knowledge and practical mind planning guidelines in deep high stress hard rock conditions for block and panel caving, Caving 2018 — Proceedings of the 4th International Symposium on Block and Sublevel caving Y Potvin and J Jakubec (eds), Vancouver.
Dawson L, 1995. Developing Australia’s First Block Cave Mine — The Northparkes E26 Lift 1 Mine, Proceedings of the 6th Underground Operators’ Conference, AusIMM, Kalgoorlie.
Brown ET, 2007. Block Caving Geomechanics,
2nd edn, Julius Kruttschnitt Mineral Research Centre, Indooroopilly.
De Wolf C and Ross I, 2016. Super Caves — Benefits, Considerations and Risks,
Proceedings of the 7th International Conference on Mass Mining, Sydney.
Flores G, 2005. Rock Mass Response to the Transition from Open Pit to Underground Cave Mining, PhD thesis, The University of Queensland, Brisbane.
Heslop T, 2000. Block Caving — Controllable Risks and Fatal Flaws, Proceedings of Massmin 2000, Brisbane.
Laubscher DH, 1995. Cave Mining — State of the Art, Proceedings of the 6th Underground Operators’ Conference, AusIMM, Kalgoorlie.
Stegman C, van As A and Peebles E, 2018. Past learnings focus innovative solutions to future cave mining, Caving 2018 — Proceedings of the 4th International Symposium on Block and Sublevel Caving Y Potvin and J Jakubec (eds), Vancouver.
Turquoise Hill Resources Ltd, 2020. Oyu Tolgoi 2020 Technical Report NI-43-101, www.turqiosehill.com
