Review of geotechnical aspects associated with block caving (in Russian)

Александр Вязменский

Университет Саймона Фрэйзера (Ванкувер, Канада)

Докторант кафедры Наук о Земле, исследовательская группа инженерной

геологии и геотехнической поддержки минеральных разработок

http://alex.vyazmensky.googlepages.com

Некоторые геотехнические

аспекты применения метода

блокового обрушения

сентябрь 2007© AV, 2007. Все права защищены. Полное или частичное копирование запрещено.

При согласованном использовании материалов доклада ссылка на автора обязательна.

http://alex.vyazmensky.googlepages.com/

http://alex.vyazmensky.googlepages.com/

2

Содержание

• Введение в метод блокового обрушения

• Деформации поверхности вызванные блоковым обрушением

• Переход от открытых к подземным горным разработкам

3

МЕТОД БЛОКОВОГО ОБРУШЕНИЯ

Действующие и закрытые рудники

Perseverance

Deeps

Ridgeway Deeps

Oyu Tolgoi

(modified after Brown, 2007)

Планируемые разработки

4

Метод блокового обрушения.

Метод блокового обрушения применяется при разработке подземных

месторожений. Суть метода заключается в контролируемом обрушении породы

под собственным весом.

Истощение минеральных ресурсов доступных добыче открытыми разработками

делает метод блокового обрушения все более важным для горнодобывающей

промышленности.

Карта горных разработок использующих метод блокового обрушения

5

Метод блокового обрушения в основном применяется для добычи

массивных залежей низкосортной меди, молибдена и алмазосодержащих

кимберлитовых трубок.

Разрабатываемая порода должна обладать следующими

свойствами :

- иметь среднюю или малую прочность

- иметь развитую систему трещин

- быть массивной, с минимальным содержанием пустой

породы

(modified after Sandvik Tamrock block caving animation)


6

Устройство вертикальной шахты для

транспортировки персонала,

материалов и обеспечения

вентиляции

Пробивка в разрабатываемой

породе двухуровневой сетки

пересекающихся тоннелей

Последовательность операций:




7

1. Уровень подрубки (undercut)

2. Производственный (production) уровень обеспечивает доступ и выемку добытой руды.

• Самообрушение руды инициируется подрывом серии тоннелей подрубочного уровня.

• Производственный уровень и уровень подрубки соединяются между собой

рудоприѐмными воронками (drawpoint/drawbell), обеспечивающими донный выпуск.

• Из производственного уровня добытая руда поступает в дробильню и далее поднимается

на поверхность.



8

“горная фабрика”



• Главные преимущества – низкая себестоимость и высокая

производительность

Хотя капитальные затраты на вскрытие и обработку месторождения методом

блокового обрушения могут быть довольно существенными, высокая

производительность и обьѐм добычи намного выше чем при освоении

месторождения любым другим методом; как следствие – низкие суммарные

капитальные затраты.

~ 2.5 … 5.5

US$ / t

Производительность до 60000 тонн в сутки. Себестоимость $2.5 за тонну.

Для сравнения: себестоимость 1 тонны добываемой породы при добыче

карьерным методом от 2-х до 8-ми $ за тонну.

$2.5 - $12

Преимущества метода блокового обрушения

Выборочный способ

Венцовой крепью

Магазинирование

Разработка с закладкой

Камерно-столбовой метод

Открытым забоем

Слоевое обрушение

Подэтажное обрушение

Блоковое обрушение

(modified after Wortman, 2006)

• Безопасность производства

Процесс выработки может быть полностью автоматизирован:

Самоходная погрузочно-доставочная машина

(LHD)

Добытая порода принимается самоходной погрузочно-доставочной машиной,

перевозится до дробильни и далее по конвейеру поднимается на поверхность.

Преимущества метода блокового обрушения


• Многомиллионные затраты на начальных этапах освоения месторождения

• Медленное наращивание производства

• Труднопредсказуемое поведение горных пород и условий добычи

предполагают высокий инвестиционный риск.

Детальная проработка технико-экономичекого обоснования проекта

чрезвычайна важна

Недостатки метода блокового обрушения

12

технико-

экономичекого

обоснование

Формулировка геотехнической и геологической моделей

Оценка податливости к самообрушению

Оценка фрагментации

Идентификация потенциальных эксплуатационными опасностей

Прогнозирование предполагаемых деформаций поверхности

Анализ возможных рисков проекта

план горных работ. Выбор типа и стратегии подрубки

Выбор последовательности обрушения

Проектирование тоннелей производственного уровня, включая план

усиления

Прогнозирование предполагаемых деформаций поверхности

Выбор месторасположение инфраструктуры

эксплуатация

горного

производства

Контроль за подрубкой и началом обрушения

Управление и мониторинг выпуска

Мониторинг сейсмоактивности и продвижения фронта обрушения

Контроль за такими основными эксплуатационными опасностями, как

неконтролируемые обвалы, внезапные обрушения горной породы,

воздушные взрывы.

Мониторинг проявлений предполагаемой осадки поверхности

Геотехнические задачи решаемые на стадии планирования

и эксплуатации рудника использующего блоковое обрушение

(modified after Brown, 2004)

Ключевые геотехнические проблемы метода блокового

обрушения

• оценка податливости горной породы к самообрушению

• оценка фрагментации

• обеспечение непрерывного продвижения фронта обрушения

• стабильность тунелей производственного уровня

• оценка риска и снижение негативного эффекта основных

эксплуатационных опасностей.

• адекватный прогноз деформаций поверхности

14

ДЕФОРМАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ

ВЫЗВАННЫЕ ГОРНЫМИ

РАЗРАБОТКАМИ МЕТОДОМ

БЛОКОВОГО ОБРУШЕНИЯ


В связи тем, что метод блокового

обрушения связан с выработкой

массивного объема горных пород,

значительные осадки поверхности в

непосредственной близости от горной

разработки неизбежны.

15

Блоковое обрушение и деформации поверхности

обвал части откоса карьера вызванный

подземными работами методом блокового

обрушения

16

Деформации поверхности могут

представлять угрозу технической

инфраструктуре горнодобывающего

предприятия, а также прилегающим

объектам и сооружениям.

Опыт показывет, что недооценка

важности аккуратных прогнозов таких

деформаций чревата фатальными

техническими авариями и серьезными

экономическими издержками.

Palabora (South Africa)

Блоковое обрушение и деформации поверхности

17

Характеризация деформаций поверхности

Типичный профиль поверхностных деформаций

Угол разлома

(modified after van As, 2002)

18

Угол разлома

Углы разлома характерные для горных пород с разным индексом RMR

(after Flores & Karzulovic, 2004)

(after Blodgett, 2002)

19

Пример деформаций поверхности – Questa (USA)

~ глубина

подрубки

600m

(after Gilbride, 2005)

20

Northparkes (Australia)

350m

420m

Lift 2

Lift 1

(after van As & Jeffrey 2000)

21

Планируемая разработка – Resolution (USA)

Планируется устроить пробную разработку на глубине около 2 км, чтобы

протестировать предварительный дизайн. Такое тестирование будет стоить

более $300 млн. долларов. Общие инвестиции в проект до начала разработки

руды оцениваются в $700 млн.

гора Apache Leap

Apache Leap

Трудности при разработке: большая глубина и необходимость сохранить

Apache Leap – т.е. ограничить осадки поверхности.

~ миллиард тонн

высококачественной

медной руды

> 1 km

(after Rio Tinto website)

(after Rio Tinto website)

22

Существующие методы оценки деформаций вызванных

блоковым обрушением

1. Эмпирические: Laubscher (2000) design chart.

2. Аналитические: различные модификации алгоритма расчета методом

предельного равновесия разработанного Hoek, 1974.

3. Численные: расчетные програмные пакеты основанные на методе конечных

элементов (ABAQUS), конечных разностей (FLAC), дискритном методе (PFC,

3DEC)

vertical retreat

FLAC 2D

PFC 3D

3DEC

Новый подход к моделированию деформаций поверхности

В ходе текущего исследования разрабатывается принципиально новый путь

расчетов деформаций поверхности, базирующийся на численном

моделлировании процесса блокового обрушения, максимально приближенного к

реальным условиям. Применяется комбинированный метод конечных

дискритных элементов с использованием модели поведения горной массива

основанной на принципах механики твердых-деформированных тел. Основным

инструментом исследования является програмный пакет ELFEN, разработанный

Университетом Уэльса (Великобритания).

23

Планируется проанализировать фундаментальные принципы, влияющие на

формирование поверхностных деформаций и предложить новую методику

оценки данных деформаций.

Пример применения ELFEN для анализа

обрушаемости породы

ELFEN позволяет моделировать

трансформацию сплошной среды

на дискритные блоки путем

формирования и развития трещин

Анимация №1

вэб-линк

http://alex.vyazmensky.googlepages.com/anim1



Факторы влияющие на конечные деформации поверхности

Ориентация и длина трещин

Наличие разломов

Прочность горных пород

Горизонт. напряжения

Глубина разраб. блока

Уклон поверхн.

Наличие нескольких

геолог. областей

В настоящее время проводится серия численных экспериментов исследующих

относительную важность вышеуказанных факторов

Ранжирование факторов с точки зрения

величины их влияния на деформации

поверхности

Выбор комбинаций факторов ведущих

к максимальным деформациям

На основе результатов моделирования будет предложена система оценки рисков и

маштабов деформаций поврехности при разработках методом блокового обрушения

24

Методология исследования

системы трещин и разломов

генерируются с использованием

программы FRACMAN

100m

симулируется подрезание блока руды и его полная выемка25

ore

block

100m

100m

AV © 2007

3-х мерная модель 2-х мерный разрез

Методология моделирования

3-х мерная модель

системы трещин и

разломов

составляется

на основе

геологической

съемки и/или

анализе

данных скважин

26

Пример моделирования деформаций поверхности вызванных

разработками методом блокового обрушения

27



28



29



(процент выбранной руды)

30



31

Aнимация №2 (веб-линк)






32

Изменение профиля поверхности грунта с выемкой руды

crater depth ~45m

AV © 2007



Пример моделирование эффекта ориентации трещин

Model 1 Model 2

контуры горизонтальных деформаций (м)

Максимальна зона влияния Model 1 на 15% больше, чем для Model 2.

33

AV © 2007

AV © 2007

AV © 2007

AV © 2007

Два набора трещин:

суб-вертикальный

с уклоном 70 градусов

+ перпендикулярный

Вертикальный

и горизонтальный

AV © 2007

AV © 2007

Уклон поверхности 15 градусов

34

Пример моделирование эффекта уклона поверхности

Aнимация №3

вэб-линк

AV © 2007




35

На стадии планирования:

Оценка деформаций поверхности и выбор оптимальной схемы

обрушения.

Расположение инфрастукуры рудника за пределами зоны влияния работ

На стадии эксплуатации:

Постоянный геотехнический мониторинг

• спутниковое слежение за деформациями с помощью технологии INSAR;

• традиционные геодезические методы;

• использование геотехнических инструментов (трещиномеры и т.п.).

Методы предотвращения / уменьшения негативного влияния

деформаций поверхности

Радиолокационное

изображение поверхности

полученное с помощью

технологии радарной

интерферометрии

(INSAR)

(after Jarosz, 2005)

http://www.mining-technology.com/contractors/resource/softrock/softrock2.html

36

ПЕРЕХОД ОТ ОТКРЫТЫХ К ПОДЗЕМНЫМ

ГОРНЫМ РАЗРАБОТКАМ

Открытые разработки являются экономически выгодным предприятием

настолько долго, насколько цена добытых ресурсов превышает затраты на

сопутствующую выборку пустой породы. Любая открытая разработка

достигает критической глубины и теряет рентабильность. В случае

залегания существенных запасов минеральных ресурсов глубже

существующей разработки, применяются методы подземной выработки.

Самая глубокая открытая разработка ~1200м,

в то время как подземные горные разработки

могут достигать глубин более 3000м.

Причины перехода

Многие существующие открытые разработки

планируют или уже перешли к подземной

фазе. Будучи экономичным и эффективным,

метод блокового обрушения наиболее часто

применяется в подобных проектах.

38

• Выбор оптимальной высоты блока

• Будет ли обеспечено обрушение на всю высоту блока?

• Минимальная толщина потолочного целика для обеспечения

безопасной одновременной работы в карьере и подземной

разработке

• Как долго можно совмещать работы в карьере и подземную

разработку?

• Характер деформаций грунта, время их возникновения и

эффект на наземную и подземную инфрастуктуру.

• Анализ геотехнических рисков и путей их минимизации.

Трудности при проектировании переходных проектов

39

• Блоковое обрушение может вызвать

повышенную сейсмичность, что в свою

очередь, приводит к внезапным обрушениям

• Развитие значительной воздушной прослойки

во фронте обрушения может привести к

воздушному взрыву в случае обрушения целика

• Преждевременное обрушение потолочного

целика может поставить под сомнение

успешное окончание проета

• Деформации грунта вызванные блоковым

обрушением могут спровоцировать обрушение

откосов карьера

• Карьер может аккумулировать талые и

дождевые воды, что увеличивает риск

подтопления разработки

Основные проблемы при внедрении переходных проектов

40

Country Mine Approximate

maximum pit depth

(m)

Start of BPC mining

Australia Argyle 300 2008 (?)

Mount Keith 350 2015 (?)

Northparkes 100 1996

Chile Chuquicamata 1100 2016 (?)

Mansa Mina 400 2014 (?)

Indonesia Grasberg 1000 2016 (?)

Russia Kirovsky - 1959

South Africa Finsch* 420 2004

Koffiefontein* 240 1997

Palabora 830 2001

Premier (Cullinan)* 190 Early 1970s

Venetia 360 (?) 2011 (?)

USA Bingham Canyon 900 2012 (?)

Questa - 1983

Открытые разработки перешедшие или планирующие перейти

к подземным работам методом блокового обрушения

(after Flores & Karzulovic 2002)

41

Пример переходного проекта – Palabora (South Africa)

Подземная разработка вызвала

подвижки значительного массива

грунта. Осадки поверхности

достигали 2.5 метров, образование

трещин было отмечено на

расстоянии 300 метров от карьера.

Произошло частичное обрушение

откоса.

зона деформаций

Производственная инфрастуктура

42

Пример переходного проекта - Finsch mine (South Africa)

350 m

510 m

630 m

830 m

Open

Stoping

Block

caving

Block /

Sub level

cave

43

Планируемый переходный проект – Bingham Canyon (USA)

глубина карьера ~1200m

одна из глубочайших подземных разработок

4km

(after Brown, 2007)

44

(after Flores & Karzulovic, 2002)

Планируемый переходный проект – CHUQUICAMATA (Chile)

миграция фронта

обрушения

с отбором руды

осадочные деформации толщи пород

потенциальное обрушение откоса

попадающего в зону влияния работ

AV © 2007

AV © 2007

AV © 2007

Использование методов численного моделирования для предсказания

нестабильности откосов карьера вызванных подземными работами

200m

200m

200m

200m

Упрощенный метод расчетаразвитие трещин в откосе

ведущее к его обрушению

45

• Применение метода блокового обрушения связано с рядом сложнейших геотехнических проблем, тем

не менее как показывает имеющийся опыт, они решаемы.

• Каждая разработка должна проектироваться с учетом ее специфики – шаблонных решений нет. В тоже

время необходимо отметить, что за последние 20 лет был накоплен обширный опыт применения

метода блокового обрушения и разработан расчетный аппарат на основе которого спроектирована не

одна успешная разработка.

• Эффективная адаптация западного опыта проектирования невозможна без гармонизации западной и

российской школ механики горных пород. Обе школы базируются на одних фундаментальных

принципах - задача сделать имеющийся расчетный аппарат взаимодополняющим, а не

взаимоисключающим. Необходимо внедрение в российскую практику широко используемых на западе

рэйтинговых систем, дающих усредненную оценку качества породы - Q, RMR, MRMR, GSI. Данный шаг

позволит в полной мере использовать расчетный аппарат, разработанный западной школой механики

горных пород. Альтернативы – поручение проработки проекта западным консалтинговым компаниям,

которые предлагают решения «под ключ» или разработка проекта собственными силами.

• Качественные геологические и геотехнические изыскания является необходимым условием для

эффективных проектных решений

• Ключ к успеху – активное применение передовых разработок механики горных пород в сочетании с

традиционными решениями и учетом накопленного опыта.

Вместо заключения

Technology

Review of geotechnical aspects associated with block caving (in Russian)