Константин Плеханов
Главный инженер
Олег Колобков
Заместитель генерального директора по горному производству
Александр Улижев
Ведущий специалист горного управления Акционерное общество "Уралэлектромедь"
Борис Волегов
Доцент Уральского государственного университета экономики, управления и права

    Экстремальные условия Удоканского месторождения меди усложняют большинство решений по открытым горным работам. Поэтому для надежного обоснования проекта необходимо многовариантное рассмотрение его принципиальных разделов. Это касается, прежде всего, горно-геометрических расчетов. Только после профессионального анализа их результатов можно начинать решать остальные вопросы открытой разработки Удокана.
    Важнейшей проблемой, стоящей перед проектировщиками, является вскрытие месторождения. Трудность решения этой задачи обусловлена следующими факторами.
    Во-первых, ни один из вопросов не может рассматриваться изолированно от других. Вскрытие органически связано с последующей разработкой, комбинацией видов транспорта и т.д. Во-вторых, при выборе способа, схем и системы вскрытия определяющее значение имеют рельеф поверхности, размеры карьера, параметры разработки, грузооборот и разделение его на потоки, элементы залегания рудных тел, пространственное положение различных видов полезного ископаемого и пр. В-третьих, варианты способов, схем и системы вскрытия в целом оцениваются по видам, числу и объему вскрывающих выработок, затратам на их проведение и обустройство, по продолжительности строительства карьера и подготовки отдельных горизонтов, по расстоянию транспортирования, расходам на транспорт, использованию выработок для осушения, водоотлива или проветривания карьера, а в некоторых случаях – для разведки месторождения или подготовки к последующей подземной разработке. Даже для конкретных природных условий получить перечисленные величины аналитическими расчетами трудно из-за отсутствия надежной нормативной базы и в достаточной степени формализованного расчетного аппарата.
    Многие исходные положения приходится принимать на начальных стадиях рассмотрения вопросов вскрытия по топографическим и геолого-маркшейдерским материалам на основе логических инженерных решений. Они, как правило, зависят от традиционных подходов, сложившихся в проектной организации. В то же время накоплен большой практический опыт по вскрытию отечественных и зарубежных карьеров со сложными условиями. Систематизированные сведения могут быть полезны при эскизном формировании вариантов для Удокана. Если из развернутой информационной базы выделить для рассматриваемого месторождения аналоги и проанализировать их вскрытие, то будет проще, быстрее и обоснованнее конкретизировать предпочтительные варианты. То есть определить при ограниченном времени рациональную направленность дальнейших творческих усилий, когда решение вопросов вскрытия будет детализироваться, а также снизить вероятность возможных ошибок, имевшихся у аналогов.
    Преобладающая несхожесть карьеров требует наиболее тщательно подойти к доказательству правомерности аналогового поиска. Чтобы гарантировать достаточную объективность такого обоснования, необходимо сравнивать карьеры по комплексу параметров. Реальное осуществление этого, с учетом мировой практики проектирования и ведения открытых горных работ, возможно только с применением современного математического аппарата и ЭВМ. Вот почему аналоговый поиск для Удокана рекомендуется осуществить с применением имеющихся автоматизированных информационно-поисковых систем карьеров-аналогов.
    Сильно расчлененный рельеф Удокана характеризуется наличием крутых склонов, ущелий, обрывов, покрытых неустойчивыми курумами. Найденное для этих условий оптимальное развитие карьерного пространства по результатам автоматизированных горно- геометрических расчетов может реализовываться (особенно в горной части карьерного поля) с применением различных систем разработки (см.рисунок 1):

    Продольная однобортовая система разработки предъявляет довольно жесткие требования к примыканию транспортных путей на горизонтах рабочего пространства. Это часто исключает возможность применения спиральной трассы, требуя тупиковых или петлевых, устройство которых на крутых склонах связано с большими трудностями. При небольших параметрах возвышенностей (особенно ближе к вершине) горные работы на косогоре развиваются медленно.
    При кольцевой центральной системе разработки и отсутствии капиталоемких подземных выработок - рудоспусков, штолен, квершлагов, стволов, тоннелей - приходится, транспортируя горную массу с нижних горизонтов, сначала поднимать ее на поверхность, а затем спускать, как правило, до отметки господствующего уровня. Длина фронта работ на нижних уступах минимальная, т.е. возможности установки оборудования ограничены. Такая стесненность условий сдерживает подготовку новых горизонтов при больших объемах их траншейного вскрытия. С развитием горных работ не исключены трудности, связанные с проветриванием забоев и водоотливом.
    При кольцевой периферийной системе разработки формирование рабочей зоны обеспечивается вскрытием сверху вниз каждого горизонта съездными и разрезными полутраншеями. Они проходятся по контуру склонов, что снижает объемы малопроизводительных работ. Последующая отработка уступов ведется с контурным перемещением забоев, образующим в плане погоризонтные концентрические полосы с увеличивающейся книзу длиной фронта работ. Это позволяет в кратчайший срок ввести в эксплуатацию большое количество основного горно-транспортного оборудования и максимально развить на склонах геометрию рабочих зон. Не требуется предпринимать специальные меры по проветриванию и водоотливу. Исключается необходимость в капиталоемких подземных транспортных выработках. Примыкание постоянных дорог возможно в любой точке нижнего уступа рабочей зоны. Поэтому их следует проводить по наиболее рациональному и доступному маршруту.
    Количественная оценка достоинств и недостатков формирующихся рабочих зон была проведена на основе условного моделирования развития горных работ по вершинам с абсолютными отметками I^а + 2000 м, I⁶ + 1875 м, II + 2174 м и + 2175 м, Ш + 2174 м и + 2010 м в границах карьерного поля Удокана. Расчеты показали, что на одной и той же возвышенности при максимально допустимом (по правилам техники безопасности) насыщении рабочего пространства горно-транспортным оборудованием достигается за одинаковый период времени следующее развитие работ по вынутым объемам горной массы: сплошная кольцевая периферийная система разработки - 100 %, углубочная кольцевая центральная – 73,5 %, сплошная продольная однобортовая – 35,3 %; по суммарной длине созданного фронта работ, соответственно 100 %, 81,1 % и 60,8 %. Следовательно, в условиях сильнорасчлененного рельефа при благоприятных обстоятельствах наиболее интенсивная разработка нагорной части может быть обеспечена при кольцевой периферийной системе.
    Сопоставление технико-экономических показателей горнотранспортного оборудования, действующего в рабочих зонах различной формы, проводилось для условий выемки одинаковых объемов горной массы с понижением на один уступ. Были определены параметры рабочих зон. Для карьерных автосамосвалов расстояния транспортирования горной массы в пределах рабочей зоны определялись как сумма отрезков пути по горизонту и последующего спуска (при кольцевой периферийной и продольной однобортовой системах) или подъема (при углубочной кольцевой центральной) от точки А (см. рисунок 2), где грузопотоки со всех горизонтов сливаются в один общий.

При перевозке горной массы автосамосвалами в пределах рабочей зоны худшие технико-экономические показатели получились при продольной однобортовой системе разработки, так как при наличии петлевых или тупиковых участков трассы от рабочих уступов до точки А маршруты перевозки значительно удлиняются.
    При транспортировании горной массы автосамосвалами от забоев до границы карьерного поля или дальше наиболее неблагоприятна кольцевая центральная система разработки. На показатели транспорта отрицательное влияние оказывает то, что с нижних горизонтов приходится сначала поднимать горную массу из рабочей зоны до точки А, а затем спускать ее к отметке господствующего уровня местности.
    Таким образом, в условиях сильнорасчлененного рельефа необходимо в зависимости от принятого плана работ установить для каждой возвышенности рациональную форму рабочей зоны и своевременность ее развития. Здесь важно учесть условную экономию, которую можно получить многими доступными решениями. Например, проходку съездных и разрезных полутраншей по замкнутому контуру крутых склонов рационально осуществлять без транспорта, сбрасывая горную массу под уклоны. Это позволит значительно сократить время подготовки рабочих горизонтов и снизить затраты на подготовку уступов к эксплуатации. Кроме того, правильное сочетание рабочих зон различной формы при достаточной их автономности расширяет принципиальные возможности регулирования режима открытых горных работ в условиях сильнорасчлененного рельефа.
    Расходы на транспортирование горной массы от забоев при открытой разработке месторождений составляют, как правило, определяющую часть эксплуатационной себестоимости 1 м³. Поэтому правильный выбор видов карьерного транспорта является важным разделом проектирования. Учитывая значительные масштабы Удокана, большой срок его эксплуатации и меняющиеся транспортные условия, необходимо провести сравнение самых разных видов транспорта – автомобильного, железнодорожного, гравитационного, конвейерного, самоходных скреперов, скипового, тракторных прицепов и полуприцепов, одноковшовых погрузчиков, башенных экскаваторов – и их традиционных и нетрадиционных сочетаний.
    Так, за пределами карьерного поля могут быть применены в качестве магистрального транспорта конвейерные поезда. Чтобы сократить протяженность маршрута в границах карьерного пространства, часто рекомендуют применение скиповых или конвейерных подъемников. Однако их стационарное размещение может привести к значительным сложностям оптимального развития открытых горных работ. Кроме того, при сильнорасчлененном рельефе на Удокане из-за наличия крутых склонов и иных факторов не удается избежать участков ограниченных параметров. В таких рабочих зонах проведение и поддержание транспортных коммуникаций (например, съездов) и рабочих площадок нормальной ширины затруднено из-за постоянного перемещения забоев при малой длине фронта экскавации. Чтобы исключить эти сложности, можно предусмотреть применение межуступных пневмоподъемников, которые позволяют осуществить вертикальный спуск-подъем груженого автосамосвала на высоту одного уступа. Идея использования пневмоподъемника, подкрепленная расчетом экономической целесообразности его применения, для вертикального перемещения автосамосвалов различной грузоподъемности была впервые сформулирована и официально одобрена в 1986 году. В 1987 – 1988 годах она получила дальнейшее развитие в исследовательских и экспериментальных работах. В 1989 году НИПИгормашем разработана рабочая конструкторская документация на экспериментальный образец пневмоподъемника. На Ангренском заводе УзПС "Узбекрезинотехника" по этой документации была изготовлена пневмооболочка. Согласно проекту, изготовление элементов конструкции подъемника предусматривается из распространенного стального проката – труб, швеллера, двутавра, уголка, толстолистовой стали. Компклектующие также выпускаются серийно.
    Вакуумный принцип действия основного тягового органа и достаточно большие размеры пневмобаллона обеспечивают надежную работу пневмоподъемника при разрежении в системе подъема 0,05 Мпа. Подвеска снизу к пневмобаллону клети в значительной мере упрощает решение вопросов стабильной ее устойчивости. Это было подтверждено в 1989 – 1990 годах в ходе лабораторных испытаний действующих макетов разного масштаба. В настоящее время существует подкрепленная расчетами методическая разработка, позволяющая изготовить пневмоподъемник для автосамосвалов грузоподъемностью до 180 т.
    Применение пневмоподъемника целесообразно рассматривать не только в рабочих зонах с ограниченным фронтом экскавации и малой интенсивностью грузопотока, но и на уступах с низкой устойчивостью пород, при наличии оползневых явлений, когда трасса автодороги проходит по опасной зоне. С применением пневмоподьемников несложно-перативно организовать временный ее объезд по другим уступам. Можно предположить, что в конкретных условиях окажется полезным применение каскада пневмоподъемников, например, при формировании многоярусных отвалов, когда затруднено поддержание съездов в хорошем состоянии на насыпном массиве.