Введение

В большинстве горнодобывающих стран мира разработка рудных месторождений подземным способом характеризуется высокими темпами углубления горных работ, что вызвано ни столько исчерпанием запасов полезных ископаемых вблизи земной поверхности, сколько возрастающим спросом на минеральное сырье. Добыча наиболее ценных руд уже сейчас в Канаде и США, например, ведется на глубинах 2-2,6 км, а в Индии и ЮАР - более 3 км.

При переходе на большие глубины резко ухудшаются условия эксплуатации месторождений, так, как увеличивается горное давление, повышается температура и изменяются физико-механические свойства горных пород. По этой причине возникают серьезные технологические и технико-экономические трудности в отношении горного давления, горных ударов и поддержания горных выработок, обеспечения безопасности горных работ, полноты и качества извлечения полезных ископаемых, использования горного оборудования и многих других специальных вопросов.

Необходимость в более полной выемке полезного ископаемого, в свою очередь неотъемлемо связано с выбранной системой разработки. На больших глубинах при большом горном давлении целесообразно и наиболее безопасно применять системы разработки с искусственным поддержанием очистного пространства, а именно с закладкой выработанного пространства.

Геологическая и горнотехническая характеристика месторождения

Горно-геологические условия эксплуатации

Общая геологическая характеристика участка месторождения

Медно-никелевые руды Талнахского рудного узла (Октябрьского и Талнахского месторождений) связаны с крупным габбро-долеритовым интрузивом, локализованным в южной части Хараелахской трапповой мульды. Вдоль своей длинной оси мульда пересекается субмеридианальным Норильско-Хараелахским рудоконтролирующим разломом, определяющим вместе с ней положение интрузивных массивов (ветвей), составляющих эти месторождения. Все ветви, располагаясь на Октябрьском месторождении в осадочных породах девона, в интервале глубин 400-2000м, полого погружаются вдоль разлома на 10 км к центру мульды.

Интрузивные ветви Октябрьского месторждения (Северо-Западная и Хараелахская) имеют в общем линзовидную форму (при мощности до 250 метров) и составляют плащеобразную залежь шириной до 6 км. Северо-западная ветвь располагается западнее Главного шва разлома, непосредственно примыкая к нему лишь в своей прикорневой части. Хараелахская ветвь отходит от разлома к западу вдоль края мульды.

Морфология интрузивных ветвей по данным детальной разведки 1967-1987 г.г. представляется в целом относительно простой, а составляющие их разновидности пород выделяются в виде горизонтов-дифференциатов псевдостратифицированного интрузива.

Интенсивность проявления разрывных нарушений высокая, но по данным разведки улавливаются лишь достаточно крупные сбросы и взбросы, составляющие основу тектонического каркаса месторождения (Главный шов, система Западных сбросов, Горный сброс, Центральный грабен и т.д.).

Руды Октябрьского месторождения представлены тремя промышленными типами: вкрапленными в интрузиве (горизонт пикритовых и такситовых габбро-долеритов придонной части интрузива), богатыми (сплошными), формирующими залежи - скопления сплошных и богатовкрапленных сульфидов в зоне нижнего контакта интрузива (реже - в его кровле) и медистыми, образующими тела сложной формы в экзоконтакте залежей богатых руд.

В целом руды Октябрьского месторождения характеризуются весьма сложным минеральным составом и многообразием форм нахождения рудных компонентов. Главные минералы представлены фазами переменного состава: групп пирротина, пентландита, халькопирита, кубанитом, являющимися носителями никеля, меди, кобальта, некоторых металлов платиновой группы. С другими второстепенными минералами связано распределение попутных компонентов (золота, серебра, селена, теллура, платины, палладия, а также вредных примесей свинца, цинка, мышьяка).

Для всех типов руд установлены широкие вариации количественных соотношений главных рудообразующих минералов, в связи с чем для каждого типа выделены группы естественных минеральных разновидностей. Последние обособляются с той или иной степенью сложности в объеме рудных тел, выделяемых по кондициям, и нередко образуют в последних крупные участки.

На Октябрьском месторождении преобладают залежи богатых руд зонального строения, в которых, помимо пирротиновых, развиты кубанитовые и талнахитовые руды. В соответствии с данными технологических испытаний и практикой переработки руд на НГМК выделяются два технологических сорта: халькопиритовый (высокомедистый) и пирротиновый, селективно добываемые. В телах вкрапленных и медистых руд технологические сорта выделяются в связи с установленной при эксплуатации минеральной зональности, вплоть до образования так называемых брекчиевых медистых руд, близких к богатым, а также наличием труднообогатимого валлериитового сорта. Раздельная добыча технологических сортов вкрапленных и медистых руд не осуществляется.

Геологическая характеристика рудника "Таймырский"

Рудником отрабатывается участок пластообразной залежи сплошных сульфидных руд с ксенолитами вмещающих пород. Контакты залежи отчетливо выражены с наличием апофиз и зон расщепления. Мощность залежи на участках отработки изменяется от 3 до 35м.

Богатые руды горизонта -1050м представлены двумя отчетливо выраженными пачками.

Верхняя часть залежи (верхняя пачка), сложена рудами существенно пирротинового состава, мелкозернистыми, мелко- средне зернистыми, полигональными, с ксенолитами вмещающих пород (до 30-40%). Для верхней пачки характерно содержание меди менее 3,00% (иногда до 3,50%) и наличие скачкообразного изменения содержания меди на границе пачек, содержание компонентов платиновой группы в 1.5-2.0 раза меньше, чем в нижней пачке.

Нижняя пачка сложена рудами халькопиpит-пиppотинового состава среднезернистыми, крупнозернистыми, пегматоидными (гигантозеpнистыми), редко мелкозернистыми, с ксенолитами вмещающих пород (до 10-15%). В нижней пачке содержание меди более 4.00%

(иногда более 3.50-4.00%).

Мощность верхней пачки на горизонте -1050м в центральной части залежи равна 1-5м. при мощности рудного тела 30-35м., и увеличивается к флангам, а в районах выклинивания рудного тела, залежь на полную мощность представлена рудами верхней пачки.

Особенностью богатых руд горизонта -1100м, является снижение доли мелкозернистых руд в верхней пачке и рост в ней содержаний никеля, кобальта и серы до сопоставимых с нижней пачкой. Кроме того, в пределах этого участка резко уменьшается доля руд нижней пачки, до одной трети мощности рудого тела. Уменьшение мощности нижней пачки происходит по направлению на восток до мощности 2-5м.

Богатые руды горизонта -1300м, в отличие от богатых руд горизонтов -1050м и -1100м, не имеют в своем разрезе зоны ярко выраженного скачкообразного изменения содержаний меди на границе пачек, а характеризуются переслаиванием руд существенно пирротинового и халькопирит-пирротинового состава, но в целом границы пачек на этом горизонте сохраняются.

Богатые руды горизонта -1300м (как верхняя, так и нижняя пачки), сложены всеми выше указанными текстуpно-стpуктуpными разновидностями. При этом в верхней пачке часто встречается пегматоидная руда, а в нижней полигональная, что не отмечается на горизонтах -1050м, -1100м. В центральной части залежи на горизонте -1300м средняя мощность нижней и верхней пачки примерно одинаковая. В широтном направлении отмечается значительная изменчивость мощностей верхней и нижней пачки, в меридиональном направлении этот параметр пачек более выдержан, но так же, как и на горизонтах -1050м и -1100м, на флангах залежи преобладают более бедные руды, характерные для верхней пачки.

Характерной особенностью строения богатых руд горизонта -1300м является повышенное, по сравнению с рудами горизонтов -1050м и -1100м, количество (участками до 30%) пластообpазных ксенолитов вмещающих пород мощностью от 0.1 до 5.0м и протяженностью до 200 м.

Тектоническое строение.

Горизонт -1050м характеризуется весьма сильной тектонической наpушенностью. Строение участка определяют две основные структуры: вытянутый в меридиональном направлении, поднятый на 10-15м блок, образованный двумя системами нарушений севеpо-восточного и севеpо-западного простирания, и опущенный тектонический блок, с востока примыкающий к Горному сбросу. Восточная граница опущенного блока образует в плане сложный ступенчатый рисунок, за счет передачи максимальных амплитуд смещений по трем системам нарушений - севеpо-восточного, севеpо-западного и меpидианального простирания. Границы блоков сопровождаются серией ступенчатых смещений сбросового характера, в сочетании с широким развитием тектонических нарушений внутри блоков с амплитудами смещений до 20м.

Почва богатых руд в пределах ненарушенной части рудных тектонических блоков ровная, выдержанная, с падением на восток под углом 18-21гр. и практически горизонтальная в меридиональном сечении.

Кровля богатых руд имеет сложную форму, с многочисленными апофизами в вышезалегающие породы. Южный и северный фланги залежи характеризуются резким воздыманием почвы с большим количеством апофиз, маломощных, быстро выклинивающихся.

Горизонт -1100м. Тектоническое строение горизонта определяют: кpупноамплитудное нарушение меридионального простирания, проходящее по ленте 63, и два тектонических нарушения севеp-севеpо-восточного простирания. Северо-западный блок практически не затронут тектоническими нарушениями. Северо-восточный блок, представляющий собой блок из зоны Большого Горста, характеризуется высокой тектонической наpушенностью, с амплитудами смещений до 20м. Морфология почвы и кровли богатых руд аналогична горизонту -1050м.

Горизонт -1300м. От зоны Большого Горста этот участок залежи отделяет крупноамплитудное тектоническое нарушение 1 порядка. На всей площади горизонта развиты мелкоа-мплитудные тектонические нарушения СВ и СЗ простирания.

Нарушенность богатых руд зависит от наличия тектонических нарушений, ксенолитов вмещающих пород и от текстурно-структурных особенностей руд. При заложении тектонических нарушений в крупнозернистых рудах, мощность зоны оперяющих трещин даже при значительных амплитудах редко достигает 3-5м. В связи с этим ненарушенные участки (участки средней наpушенности) установлены в нижней пачке при размерах тектонического блока более 5-10м, в то время как в рудах верхней пачки ненарушенные участки появляются лишь при размерах тектонического блока более 40-60м.

В целом нарушенность верхней пачки на горизонтах -1050м и -1100м оценивается 100% как сильная, нижней на 30% как сильная, на 70% как средняя.

Нарушенность богатых руд на горизонте -1300м оценивается как 75% средняя, 25% сильная.

Нарушенность богатых руд на горизонте "прирезка" оценивается в панелях 14 и 15 как 100% сильная, в панелях 12-13: 50% сильной и 50% средней.

Нарушенность подстилающих метаморфизованных, перекрывающих метаморфизованных и интрузивных пород оценивается как сильная на 100% на всех горизонтах.

На горизонте "Прирезки" рудное тело представлено переслаиванием породных прослоев и жил сплошных сульфидов мощностью до 1м. кулисообразно расположенных по отношению к падению и простиранию залежи. На площади "Прирезки" в пределах лент 247-251 вскрыто тектоническое нарушение субмеридионального простирания с амплитудой более 3.0м.

Морфология почвы и кровли богатых руд носит сложный характер, обусловленный наличием резкого изменения их гипсометрии за счет уступов высотой до 10-15м с наличием послойных малопротяженных апофиз.

"Большой Горст"

В пределах зоны Большого Горста выявлено сложное внутреннее строение залежи, обусловленное мощными протяженными ксенолитами, образующими складкоподобные структуры, занимающие до двух третей от мощности рудного тела, значительная часть этих ксенолитов имеет вертикальное падение.

Тектоническое строение Горста определяют две основные зоны: север-северо-восточного простирания и западного падения, ограничивающее Горст с запада, и субмеридионального простирания и восточного падения, ограничивающее Горст с востока. В южной части первой зоны и северной части второй, сконцентрированы основные амплитуды смещений блоков. К северной внешней части первой и южной внутренней части второй зоны примыкают ступенчато смещенные тектонические блоки, по которым равномерно распределяется амплитуда смещения Горст. Между основными зонами Горст разбит трещинами северо-восточного и северо-западного простирания на блоки размером в среднем 80х120м и с амплитудами смещения до 20 метров.

Залежь Северная-2. Богатые руд представляют собой сложнопостроенную, падающую на северо-восток (аз.пад.45-60 град.) под углом 10-16 град. систему кулисообразных рудных жил сплошных сульфидов с большим количеством разделяющих их прослоев габбро-долерита и полевошпатовых пород. Мощность залежи меняется от 1 до 18м. Средняя мощность составляет в среднем 7.0м.

Трещиноватость и нарушенность сульфидных жил: 30% - средняя, 70% - сильная; ксенолитов: 50% - средняя, 50% - сильная.

Нижний контакт горизонта вкрапленного оруденения налегает на "медистые" и богатые руды и на отдельных участках отрывается от них до 7-10 метров.

На указанной площади предполагается наличие восьми разрывных нарушений с амплитудой от 5 до 70 метров. Азимуты простирания СВ 15-70 градусов и СЗ 340-355 градусов.

Гидрогеология

Гидрогеологические условия определяются геоморфологическими, структурными и мерзлотными факторами.

Подземные воды формируются за счет атмосферных осадков, проникающих в горные породы со склонов плато и в зоне сквозных таликов, питаются также водами поверхностных водоемов и водостоков.

Мощность мерзлоты меняется в пределах рудного поля от 10 м до 180 м. Водовмещающая толща коренных пород характеризуется незначительной водообильностью (общий водоприток по горизонтам рудника "Таймырский" составляет около 1 м³/час).

Водопроявления в местах бурения шпуров и скважин приурочены, как правило, к зонам трещиноватости и отмечены на контакте интрузии с породой. Более высокой водообильностью отмечена зона Горста. Отмечены водопроявления с дебитом 0,01 м³/час. Но по мере срабатывания статистических запасов в линзах подземных вод уменьшается до 0,0005 м³, что указывает на низкий коэффициент фильтрации (к=0,00002 м/сутки), а также на отсутствие связи водоносных зон с крупными источниками питания.

В пределах шахтного поля рудника Таймырский существует ряд водопроявлений, находящихся под режимным наблюдением. В местах выхода источника периодически проводится отбор проб на агрессивность по отношению к бетону, результаты анализов свидетельствует об отсутствии таковых.

Основной водоприток в руднике формируется за счет обводненности стволов

Суммарный водоприток по руднику составляет от 32 до 35 м³/час.

Газоносность пород

Все породы и руды, слагающие поле рудника, газоносны. Наличие горючих газов, связанных с угленосными отложениями тунгусской серии (интервал от 20 до 350 м) и грантолитовыми сланцами нижнего силура (глубина залегания около 2000 м) из которых газы могут мигрировать в вышележащую зону толщ. Установлено наличие углекислого газа, метана, тяжелых углеводородов, азота и гелия в газовых выделениях. Общий ожидаемый дебит составляет 450 м³/сутки.

Физико-механические свойства руд и вмещающих пород

Объемные веса руд:

Богатые руды первой Хараелахской залежи - 4,2 т/м³;

Богатые руды второй Северной залежи -4,0 т/м³;

Вкрапленные руды второй Северной залежи -3,05 т/м³;

Медистые руды - 3,3 т/м³;

Значение коэффициента крепости по шкале М.М. Протодъяконова:

Для богатых руд - от 5 до 10;

Для медистых руд - от 5 до 16;

Для вкрапленных руд - от 5 до 10;

Для вмещающих пород - от 5 до 10.

Сульфидные руды склонны к окислению, разогреву, спеканию, самовозгоранию и слеживанию с выделением тепла (от 3400 до 4700 ккал на 1 м³ поглощенного кислорода). Температура пород в поле рудника колеблется в пределах от 23 до 36^оС. В породах свободная кремнекислота отсутствует. Влажность руды в естественном залегании составляет от 1 до 4 %, в отбитой массе - до 7 %.

Качественная характеристика руд и рудных минералов

Норильские медно-никелевые руды являются комплексными, из них современными технологическими методами добывают цветные металлы: никель, медь, кобальт; благородные металлы: золото, серебро и главные элементы платиновой группы; кроме этого попутно получают селен, теллур и серу.

Помимо названных компонентов, руды содержат целый ряд других элементов, из которых важно отметить железо, уходящее в шлаки и вредные примеси, из которых главными являются, селен цинк и мышьяк, спорадически встречающиеся в рудах.

К числу шлакообразующих компонентов в первую очередь относятся окислы кремния, железа, алюминия, магния, кальция и некоторые другие.

Сульфидное оруденение генетически связано с крупной дифференцированной интрузией габбро-долеритов и представлено тремя основными типами руд:

· Сплошными (наиболее богатыми)

· Вкрапленными и прожилково-вкрапленными в породах нижней части интрузии

· Вкрапленными и прожилково-вкрапленными в породах, вмещающих интрузию (медистые)

Минералы, слагающие норильские руды делятся на следующие четыре группы:

· Главные: пирротин, троилит, пентландит, халькопирит, талнахит, моикухит, путоранит, кубанит, магнетит.

· Второстепенные: борнит, марказит, миллерит, сфалерит, халькозин, минералы группы валерита.

· Редкие: алабанит, виоларит, годлевскит, ковеллин, маухерит, никелин, молибденит, станин.

· Минералы благородных металлов: сперрилит, урванцевит, самородные золото и серебро, минералы платины и палладия.

Рудник "Таймырский" эксплуатируется на базе запасов богатых и медистых руд, расположенных в центральной части Октябрьского месторождения и восточной части первой Хараелахской (основной) залежи, расположенных в Дудинском районе Таймырского автономного округа Красноярского края.

Геологический разрез в районе месторождения представлен кембрийско-ордовикскими карбонатными осадками, чередованиями морских (известняки, доломиты) и лагунных (ангидриты, глины) отложениями силура, девона, терригельными углекислыми образованиями перитриаса, туфолавовой толщей триаса и четвертичными отложениями.

Оруденение пространственно и генетически связано с природной центральной частью Хараелахской ветви Талнахского рудоносного интрузива, который локализуется в глинисто-карбонатной толще девонских отложений и погружается в северо-восточном направлении под углом от 12 до 18 до глубины 1700 м и имеет в поперечных разрезах форму плоской линзы.

Ширина интрузива колеблется от 700 до 900 м на западе и до 1900 м на востоке, мощность его изменяется от 100 до 160 м.

В центральной части залежь разбита серией субмеридиальных и субширотных дизьюнктивов, называемой зоной Большого Горста. На отдельные блочные структуры, которые по тектоническим параметрам группируются в четыре клиновидных рудных тела длиной до 800 м в меридиональном направлении и смещенных относительно друг друга по вертикали от 7 до 60 м. Общая амплитуда смещения рудных тел Большого Горста составляет от 100 до120 м в северной части зоны и до 160 м - в южной.

Зона Большого Горста разделяет Хараелахскую залежь в шахтном поле рудника на верхний западный (горизонт -1050 м и -1100 м) и нижний восточный (горизонты -1200 м, -1300 м, -1400 м) блоки. Угол падения залежи в западном блоке составляет от 14 до 22, в восточном от 12 до 20. Мощность колеблется в пределах от 5 до 43 м.

Проанализировав исходные данные, формируются перспективные направления исследования. Для отработки запасов месторождения, исходя из горно-геологических условий, ценности руды наиболее перспективной видится слоевая и камерная система разработки с закладкой сформированных пустот твердеющими смесями. Исходя из заданной, очень высокой годовой производительности для подземных рудников, видится наиболее целесообразным применение на основных технологических процессах высоко производительного самоходного оборудования. Так же для обеспечения заданной годовой производительности с целью обеспечения фронта работ определяется камерно-целиковый порядок выемки запасов.

Необходимо определиться с технологией отработки, средствами механизации, аспектами управления горным давлением, нормативной прочностью закладочного материала, конструкцией принятой системой разработки, а также оценить эффективность предлагаемой технологии.

Для того чтобы решить поставленные задачи, первой частью исследования ставится провести крупномасштабный анализ разработки месторождений с закладкой в целом. Следующей честью, необходимо выполнить конструирование отобранных конкурирующих вариантов систем разработки, где будет произведено обоснование подготовки и нарезки выемочной единицы, обоснование параметров закладки, отбойки, доставки. Далее для сравнения и отбора наиболее эффективного варианта системы будет выполнена технико-экономическая оценка сравниваемых вариантов систем разработки.