Block method of mining quarry fields as a tool to reduce environmental impact in conditions of intensification of production

Full Text

Введение

В 2020 г. Правительством Российской Федерации утверждена программа развития угольной промышленности России на период до 2035 г. [1]. Данная программа предусматривает два сценария развития угольной промышленности, непосредственно открытыми горными работами, в зависимости от уровня добычи к 2035 г.: консервативный – 390,0 млн т; оптимистический – 554,0 млн т. С учетом опубликованных данных [1] добыча по Кузбассу должна составить по вышеуказанным вариантам 48,4 и 44,5 % в общей добыче Российской Федерации, что соответствует уровню добычи открытым способом в 2035 г. по вариантам (рис. 1): консервативный – 188,0 млн т; оптимистический – 246,5 млн т.

 

Рис. 1. Прогнозное изменение уровня добычи угля открытым способом по Кузбассу, согласно программе развития угольной промышленности России на период до 2035 г.

Fig. 1. Forecasted change in the level of open-pit coal mining in Kuzbass, according to the program for the development of the coal industry in Russia for the period up to 2035

 

На основании представленных на рис. 1 данных, с ростом годового объема добычи угля происходит увеличение отработки вскрышных пород, следовательно, для обеспечения установленных показателей при существующих системах открытой разработки необходимо будет изыскивать новые площади для развития фронта горных работ, строительства внешних отвалов, объектов инфраструктуры и т. п. Согласно данным, изложенным в проектной документации угольных разрезов, производственная мощность предприятий Кузбасса изменяется от 500 до 15000 тыс. т/ год при среднем значении в 3600 тыс. т/ год и среднем коэффициенте вскрыши в 11,9 м³/т.

Согласно исследованиям [2–4], внешние отвалы составляют порядка 67 %, внутренние – 33,0 %. При средневзвешенных объемах внешних отвалов и площадей, занимаемых этими отвалами, объем вскрыши, приходящийся на 1,0 м², составит 84,4 м³. По итогам прогноза, к концу 2035 г. минимальные площади земель, нарушенных внешними отвалами, составят 70,2 млн м².

В связи с этим необходимость разработки землесберегающих технологий отработки месторождений твердых полезных ископаемых является актуальной задачей для горнодобывающей промышленности и входит в перечень актуальных технологий Российской Федерации.

Объекты и методика исследования

Согласно анализу проектной документации по угольным разрезам Кемеровской области, порядок отработки оказывает основное влияние на изъятие земель под промышленное назначение. Подавляющее большинство угольных разрезов Кузбасса применяет углубочную продольную одно- или двухбортовую систему разработки (по классификации, предложенной академиком В.В. Ржевским) [5]. При отработке наклонных и крутопадающих угольных залежей использование углубочных систем открытой разработки приводит к необходимости размещения пород вскрыши на внешних отвалах [4]. Как видно из графика на рис. 2, площади, занимаемые внешними отвалами, значительно превышают площади, занимаемые внутренними отвалами, а в некоторых случаях о внутренних отвалах речи и не идет. С учетом представленных данных доля площадей, занимаемых внутренним отвалообразованием, составляет порядка 26,5 %.

 

Рис. 2. Показатели соотношения площадей, занимаемых внешними и внутренними отвалами

Fig. 2. Indicators of the ratio of the areas occupied by external and internal dumps

 

Из представленного графика (рис. 2) следует, что наибольшая доля использования внешнего отвалообразования наблюдается на предприятиях, разрабатывающих Краснобродское, Соколовское, Талдинское и Нарыкское месторождения. В большей степени внутреннее отвалообразование используется на предприятиях Краснобродского и Соколовского месторождений.

Программа развития угольной промышленности и логистические возможности по реализации товарной продукции угольных предприятий предполагают увеличение проектных мощностей горнодобывающего сектора экономики. Объем внешних отвалов и площади изъятия земель под внешнее отвалообразование по годам представлены в табл. 1.

 

Таблица 1. Объемы размещаемых вскрышных пород и изъятие земель под внешнее отвалообразование

Table 1. Volumes of overburden and withdrawal of land for external dumping

Год Year	2020	2025	2030	2035	Итого Total
Объем внешних отвалов (консервативный вариант), млн м3 Volume of external dumps (conservative option), million m3	1966,4	1878,8	1878,8	1870,9	7594,9
Площадь изъятия земель под внешние отвалы, га Area of land acquisition for external dumps, ha	2328,5	2224,8	2224,8	2215,3	8993,4
Объем внешних отвалов (оптимистический вариант), млн м3 Volume of external dumps (optimistic option), million m3	2141,5	2260,9	2348,6	2364,5	9115,5
Площадь изымаемых земель под внешние отвалы, га Area of land acquisition for external dumps, ha	2535,9	2677,3	2781,0	2799,8	10794

 

Объем пород, слагающих внешние отвалы, в среднем составляет порядка 66,9 %, внутренние – 33,1 %. Годовой объем вскрышных пород в размере 42766 тыс. м³ будет распределен как 28610,6 и 14155,6 тыс. м³ по внешним и внутренним отвалам соответственно. Внутренние отвалы по своей сущности располагаются в выработанном пространстве, изъятие земель под них не требуется, следовательно, наиболее негативное влияние с точки зрения изъятия земель будут иметь только внешние отвалы.

В настоящее время в проекты горных предприятий внедряется с целью сбережения ресурсов (рис. 3, б) блоковый способ отработки карьерных полей, предложенный к.т.н. Б.Т. Рутковским [6] и предусматривающий некоторую долю внутреннего отвалообразования. Сущность способа заключается в предварительном разделении карьерного поля по длине на отдельные блоки, разрабатываемые последовательно (рис. 3, а).

 

Рис. 3. а) общий вид блокового способа разработки (продольное сечение карьерного поля), где Н_к – глубина карьера, м; б) фрагмент технического задания на разработку проектной документации с использованием блокового способа отработки

Fig. 3. а) general view of the block development method (longitudinal section of the quarry field), where Н_к is the depth of the quarry, m; б) fragment of the technical specification for the development of project documentation using the block method of working out

 

Сперва отрабатывается первоначальный блок до конечной глубины с вывозкой породы на внешние отвалы. После его доработки до конечной глубины образуется емкость для формирования внутреннего отвала. Затем отрабатывается второй блок с размещением вскрышных пород второго блока в выработанном пространстве первоначального блока. Далее выработанное пространство второго блока заполняется вскрышей третьего и т. д. Основными недостатками данного способа являются отсутствие в трудах ученых-горняков [7–19] системных рекомендаций определения параметров блоков.

Центры мировой угольной промышленности играют ключевую роль в экономике, они обеспечивают около 25 % всего производства энергии и являются основой для развития других отраслей, таких как металлургия, химическая промышленность и транспорт. Начиная с начала 2000-х гг. лидирующие позиции по добыче угля занимают такие страны, как Китайская Народная Республика, США, Индия, Австралия, Индонезия и др. Большая часть залежей представлена антрацитами, каменным и бурыми углями, в таких условиях предпочтение отдаётся технологиям, минимально нарушающим площади земной поверхности. Зарубежные угольные компании активно инвестируют в такие технологии, как добыча угля подземным способом, что позволяет снизить экологические риски и повысить эффективность добычи. В [20–24] отмечается, что угольные предприятия характеризуются высокой степенью автоматизации и экологической безопасности, и, следовательно, низким уровнем выбросов. Дополнительным фактором, способствующим долевому росту применения подземного способа за рубежом, является ликвидация предприятий с открытым способом добычи и горно-геологические условия разработки месторождений твердых полезных ископаемых, разработка угольных бассейнов в Российской Федерации, напротив, сопровождается разнообразными горнотехническими условиями, не имеющими аналогов в мире [25]. Следует сделать промежуточный вывод, что в иностранной практике открытой угледобычи блоковый способ не реализован к настоящему моменту времени.

Всестороннее изучение научных трудов [1–25] позволило установить, что нет единого методического подхода к определению параметров блоков, что обуславливается отсутствием взаимосвязи параметров разрабатываемого блока и выработанного пространства отработанного блока, при котором объем разрабатываемых пород невозможно разместить в выработанном пространстве предыдущего блока. Это обстоятельство определяет следующий недостаток: неравномерность размещения вскрышных пород отрабатываемого блока в выработанное пространство отработанного, что негативно сказывается на технико-экономических показателях разреза – увеличиваются объемы и площади под внешние отвалы. С целью устранения вышеуказанного недостатка разработан методический подход, взаимоувязывающий параметры блоков, дальность транспортирования вскрышных пород, вместимость отвалов. Данный методический подход апробирован в [26].

В настоящее время при разработке проектной документации все большее число угольных разрезов старается внедрять технологии отработки с использованием внутреннего отвалообразования. Так, угольные разрезы при разработке проектов на освоение участков недр все чаще делают акцент на ресурсосберегающих технологиях с использованием внутреннего отвалообразования. Например, при разработке проектной документации на отработку и утверждение запасов полезного ископаемого недропользователем в техническом задании указаны требования проектной документации с участием блокового способа разработки карьерного поля (рис. 3, б).

Как видно, во всех представленных случаях для разработки месторождений недропользователями внедряется ресурсосберегающая технология – блоковый способ. В связи с этим можно сделать промежуточный вывод, что недропользователи заинтересованы в рациональном освоении месторождения в части максимального использования внутреннего отвалообразования.

Результаты исследования и их обсуждение

Рассмотрим данную проблему на примере угольного разреза, ведущего разработку Киселевского каменноугольного месторождения. Настоящий угольный разрез ведет свою производственную деятельность с 1947 г. по углубочной продольной двухбортовой системе разработки с размещением вскрышных пород только на внешних отвалах. Данный участок ведет разработку угольных пластов крутонаклонного и крутого залегания. В настоящее время горные работы ведутся по углубочной продольной двухбортовой системе разработки с применением блокового способа разработки карьерного поля [27]. При этом решения по делению карьерного поля на блоки носят «условный» характер. Данная «условность» определяется тем, что разделение карьерного поля на блоки производится не обоснованно и зачастую выражена каким-либо характерным объектом – например разведочными линиями (рис. 4). К сравнению предлагаются варианты параметров блоков [26, 27] на примере угольного разреза Киселевского каменноугольного месторождения: по проектной документации; при максимальных и минимальных параметрах блоков.

 

Рис. 4. Общий вид карьерного поля с делением на блоки при разработке перспективного участка Киселевского каменноугольного месторождения

Fig. 4. General view of the quarry field with division into blocks during the development of a promising section of the Kiselevsky coal deposit

 

Методика расчета эколого-экономических показателей основана на нормативном документе «Отраслевая методика расчета количества отходящих, уловленных и выбрасываемых в атмосферу загрязняющих веществ при сжигании угля и технологических процессах горного производства на предприятиях угольной промышленности» [28] и включает в себя нижеприведенные критерии, за исключением землеемкости, так как в проектной документации отсутствует оценка землеемкости.

Минимальная землеемкость (З) является критерием оценки эффективности при обосновании параметров блоков:

$З=f(H_{1бл}, B_{1бл}, L_{1бл})\to min$. (1)

Основываясь на исследованиях объемов вскрыши и площади, занимаемой отвалами (табл. 1) существующих угольных разрезов Кузбасса, разрабатывающих наклонные и крутопадающие залежи, выявлено, что площади изъятия земель изменяются в значительных пределах – от 39,5 до 16635,1 га. Учитывая полученные результаты размещения объемов вскрыши на площади, установлено значение среднего объема вскрыши, приходящегося на 1 м² площади, который составляет 84,4 м³. При этом за размещение вскрышных пород на внешнем отвале предприятию необходимо будет производить плату за воздействие на окружающую среду (экологические платежи).

Выбросы и пыление при отвалообразовании включают в себя сумму выбросов при выгрузке породы из транспортного средства, формировании породного отвала и при сдувании твердых частиц с пылящей поверхности и выбросы при сгорании топлива в двигателе работающей техники.

Основные исходные величины для расчета экологических платежей при отвалообразовании представлены в табл. 2. Основные исходные величины для расчета пыления и выбросов при отвалообразовании представлены в табл. 3, а исходные данные для расчета пыления и выбросов при транспортировании вскрыши по автомобильным дорогам приведены в табл. 4.

 

Таблица 2. Исходные величины для расчета экологических платежей

Table 2. Initial values for calculating environmental payments

Наименование показателей Indicator	Обозн. Designation	По проекту By project	Lблдн (км/km)
			2,2	1,4
Объем горной массы, млн м3 Rock mass volume, million m3	Vгм	1799,9
Объем вскрыши, приходящийся на 1 м2 площади, м3/м2 Volume of overburden per 1 m2 of area, m3/m2	Vвск1м3	84,4
Объем первоначального блока, млн м3 Original block volume, million m3	Vгм1блок	1025,9	1019,4	778,70
Объем вскрыши первоначального блока, млн м3 Initial block overburden volume, million m3	Vвск1блок	950,9	940,2	723,6
Объем вскрыши первоначального блока, млн т Initial block overburden volume, million tons		2092,1	2068,5	1591,9
Объем оставшейся вскрыши, млн м3 Remaining overburden volume, million m3	Vвск	591,2	601,9	818,6
Дальность транспортирования вскрыши из первоначального блока, км Distance of overburden transportation from the original block, km	L1блок	7,5	7,5	6,6

 

Таблица 3. Исходные величины для расчета пыления и выбросов при отвалообразовании

Table 3. Initial values for calculating dusting and emissions during dumping

Наименование показателей Indicators	Обозн. Designation	По проекту By project	Lблдн (км/km)
			2,2	1,4
Общая площадь пылящей поверхности отвала, млн м2 Total area of dump dusty surface, million m2	S0j	11,3	11,1	8,6
Рабочая площадь поверхности действующего отвала, где производятся работы по его формированию, млн м2 Working surface area of the operating dump, where work on its formation is carried out, million m2	S01	0,9	0,9	0,7
Площадь поверхности действующего отвала, прекращение подачи породы на которую не превышает трех месяцев, млн м2 Surface area of an operating dump, the cessation of rock supply to which does not exceed three months, million m2	S02	1,9	1,8	1,4
Площадь поверхности действующего отвала, прекращение подачи породы на которую составляет три и более месяцев, млн м2 Surface area of an active dump, the supply of rock to which has been interrupted for three or more months, million m2	S03	8,5	8,4	6,5
Суммарное чистое время работы бульдозеров j-й марки за период, тыс. ч Total net operating time of j-brand bulldozers for the period, thousand h	Тj	429,2	374,9	261
Мощность бульдозера, кВт/Bulldozer power, kW.	Нj	480

Примечание: для упрощения расчета принята одна марка бульдозера при отвалообразовании.

Note: to simplify the calculation, one brand of bulldozer is used for dumping.

 

Таблица 4. Исходные величины для расчета пыления и выбросов при транспортировании вскрыши по автомобильным дорогам

Table 4. Initial values for calculating dust and emissions during overburden transportation by road

Наименование показателей Indicators	Обозн. Designation	По проекту By project	Lблдн (км/km)
			2,2	1,4
Площадь поверхности транспортируемого материала транспортным средством j-й марки за один рейс, м2 Surface area of transported material by vehicle of the j-brand in one trip, m2	Sj	44
Средняя длительность движения транспорта с грузом за один рейс по территории предприятия, ч Average duration of movement of transport with cargo per a trip across the enterprise territory, hours	τj	429240	374908,9	261048
Длина временных дорог в пределах территории предприятия, км Length of temporary roads within the enterprise territory, km	Lвр	0,2	0,2	0,2
Длина стационарных дорог в пределах территории предприятия, км Length of stationary roads within the enterprise territory, km	Lст	7,3	7,3	6,4

 

Таким образом, предлагается система критериев, включающих оценку землеемкости, экологические платежи за выбросы и пыление при транспортировании вскрышных пород автотранспортом и отвалообразовании.

В дальнейшем к сравнению предлагаются варианты: по проектной документации; при максимальных и минимальных параметрах блоков. По результатам расчета землеемкости разреза, с учетом среднего значения объема вскрышных пород, приходящихся на 1 га площади, по трем принятым вариантам выявлено явно выраженное снижение уровня изымаемых земель, что сопровождается снижением размера экологических платежей (рис. 5).

 

Рис. 5. График зависимости уровня изъятия земель под внешнее отвалообразование, совмещенное с уровнем экологических платежей, от размеров блоков

Fig. 5. Graph of the dependence of the level of land withdrawal for external dumping, combined with the level of environmental payments on the size of blocks

 

Уровень пыления и выбросов от работы оборудования при отвалообразовании от размеров блоков (рис. 6) также изменяются при уменьшении размеров блоков.

 

Рис. 6. График зависимости уровня пыления (а) и выбросов от работы оборудования (б) при отвалообразовании от размеров блоков

Fig. 6. Graph of the dependence of dusting level (a) and emissions from equipment operation (b) during dumping on the size of blocks

 

По результатам расчета плата за пыление и выбросы при транспортировании вскрыши по автомобильным дорогам (рис. 7) изменяются аналогично уровню экологических платежей.

 

Рис. 7. График зависимости уровня пыления и выбросов от работы оборудования при транспортировании от размеров блоков

Fig. 7. Graph of the dependence of the level of dust and emissions from equipment operation during transportation on the size of the blocks

 

Пыление и выбросы при транспортировании вскрыши совокупно включают в себя следующее: количество пыли, сдуваемой с поверхности материала, транспортируемого самосвалами, т/год; количество пыли, образуемой на автодороге при движении транспортных средств, т/год; количество выбросов загрязняющих веществ, образующихся при сгорании топлива в дизельных двигателях карьерных самосвалов, т/год.

По итогам расчета каждого показателя строятся зависимости вышеуказанных загрязняющих веществ от размеров блоков (рис. 8). Как видно из представленного графика (рис. 8), тенденция изменения показателей по выбросам и пылению при транспортировании также снижается при уменьшении размеров блоков.

 

Рис. 8. График изменения совокупной платы за воздействие на окружающую среду и процента снижения затрат от размеров блоков

Fig. 8. Graph of the dependence of the total environmental impact fee and the percentage of cost reduction on the size of the blocks

 

Совокупно рассмотренные показатели позволяют сформировать полную картину снижения негативного воздействия на окружающую (рис. 8).

Заключение

Предложены эколого-экономические критерии оценки применения блокового способа отработки карьерных полей, которые позволяют исследовать закономерности изменения экологических показателей, таких как выбросы от работы двигателей автотранспортного оборудования и пыления с поверхности отвалов и горных выработок, а также оценить их с позиции экологических платежей горного предприятия.

Применительно к условиям разреза «Краснобродский» Киселевского каменноугольного месторождения рассчитаны затраты по экологическим платежам за пользование земельными ресурсами, выбросы и пыление по трем вариантам: по проектной документации; при максимальных и минимальных параметрах первоначального блока. Установлено, что при изменении длины первоначального блока с 2,2 до 1,4 км, соответственно, происходит изменение уровня пыления и выбросов с 76,5 до 53,2 тыс. т/год, что составляет 30,5 %, и уменьшаются площади изъятия земель для размещения внешнего отвала с 11,1 до 8,6 млн м², снижение составило 23 %. Доказана эффективность применения блокового порядка отработки перспективных угольных залежей, позволяющая снижать затраты за воздействие на окружающую среду на 22,5 и 63 %, соответственно, при изменении длин первоначального блока с 2,2 до 1,4 км.

Как видно из представленных выше расчетов, совокупные эколого-экономические показатели позволяют в полной мере оценить целесообразность применения методики расчета параметров блоков, что в целом отражается в снижении затрат на плату за негативное воздействие на окружающую среду.

About the authors

Alexey V. Selyukov

T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University

Author for correspondence.
Email: sav.ormpi@kuzstu.ru
ORCID iD: 0000-0001-7827-822X

Dr. Sc., Professor

Russian Federation, Kemerovo

Andrey V. Gerasimov

T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University

Email: and-95.2010@mail.ru

Postgraduate Student

Russian Federation, Kemerovo

References

Supplementary files