Разработка сложноструктурных крутопадающих рудных месторождений с использованием подземных горно-обогатительных комплексов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

РАЗРАБОТКА СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ КРУТОПАДАЮЩИХ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ

Пирогов Геннадий Георгиевич

Чита - 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Читинский государственный университет»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Воронов Евгений Тимофеевич

доктор технических наук

Култышев Владимир Иванович

доктор технических наук, доцент

Макишин Валерий Николаевич

Ведущая организация Иркутский государственный

технический университет

Защита состоится 26 декабря 2008 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.299.01 при Читинском государственном университете по адресу: 672039, г. Чита, ул. Александро-Заводская, 30, зал заседаний ученого совета

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 672039, г. Чита, ул. Александро-Заводская, 30, ЧитГУ, ученому секретарю совета Д 212.299.01

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Читинский государственный университет»

Автореферат разослан ______ ____________________ 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. геол.- минерал. наук Н. П. Котова

1. Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Одной из важнейших проблем в деле обеспечения дальнейшего развития горнорудного производства является повышение эффективности подземной разработки рудных месторождений и снижение техногенной нагрузки на природную среду.

Особенность подземных работ состоит в постоянном возрастании глубины разработок. Рудники Урала, КМА, Горной Шории, Забайкалья в настоящее время осуществляют добычу руд на глубинах 700 …1000 м, Норильские - свыше 1000 м. Понижение горных работ сопровождается ростом затрат на очистную выемку руд и проходку выработок в условиях повышенного горного давления, подъем руды, вентиляцию, шахтный водоотлив, что усугубляется низким качеством добываемых руд, недостаточным техническим оснащением рудников, сложным финансово-экономическим положением в рыночных условиях хозяйствования.

Применяемые в настоящее время производительные системы разработки с открытым выработанным пространством характеризуются большими потерями руды, достигающими в целом по блоку 15…18%, и разубоживанием, особенно при отработке сложноструктурных рудных тел. В то же время, системы разработки с закладкой, обеспечивающие высокие показатели извлечения, обусловливают значительные затраты на очистные работы.

Снижение качества природной среды вызывается складированием и хранением на земной поверхности хвостов обогащения, содержащих вредные и токсичные вещества. Хвостохранилища являются постоянно действующими опасными источниками длительного загрязнения природной среды. В Забайкальском крае общая масса хвостов составляет 170 млн. т, размещенных на площади в 1283 га. Общая пылящая поверхность осушенных хвостохранилищ составляет 6,5х10⁵ м ², что приводит к дефляции хвостов и разносу пыли на большие площади.

В.В. Путин на Совете безопасности 30.01.2008 г. назвал как весьма актуальную проблему загрязнения природной среды: темпы роста накопления токсичных веществ в природной среде составляют 15-16% в год, что является угрожающим для национальной безопасности страны.

Перспективным направлением повышения эффективности разработки месторождений, существенного снижения накопления вредных и токсичных веществ на земной поверхности установлено использование подземных горно-обогатительных комплексов, позволяющих совместить добычу и обогащение руд в подземном пространстве. Подземные обогатительные фабрики эксплуатируются на зарубежных рудниках Сонро (Канада; 1,35 тыс. т руды / сутки; дробление, измельчение, флотация в двух подземных камерах размерами 46х9,2х6,6 м и 70х12,2х6 м), Мадригал (Перу), Салафасса (Италия). Известна подземная обогатительная фабрика Андина (Чили) с производственной мощностью 3 млн. т в год. В России выполнены проектные работы для освоения ряда рудных объектов на базе подземных горно-обогатительных комплексов (ПГОК).

Выполненный анализ мировой горнорудной практики позволяет сделать вывод: реализация перспективного направления сдерживается отсутствием соответствующей технологии разработки с закладкой выработанного пространства хвостами подземного обогатительного комплекса, недостаточной разработанностью научно-методических основ освоения рудных месторождений на базе использования подземных горно-обогатительных комплексов, что представляет собой крупную актуальную проблему, имеющую важное хозяйственное и социальное значение.

Значительная часть запасов руд черных и цветных металлов размещена в крутопадающих месторождениях, среди которых низкими показателями извлечения характеризуется разработка сложноструктурных.

Цель работы состоит в научном обосновании и создании эффективной технологии разработки сложноструктурных крутопадающих рудных месторождений на базе использования подземных горно-обогатительных комплексов и развитии научно-методических основ добычи и обогащения руд в подземном пространстве, позволяющих повысить количество и качество извлечения руд, существенно снизить техногенную нагрузку на природную среду.

Идея работы - поставленная цель достигается технологией разработки сплошной слоевой выемкой наклонных прирезок с комбинированной закладкой выработанного пространства на основе хвостов подземного обогатительного комплекса, рациональными технологическими схемами и параметрами разработки.

Объект исследований - разработка сложноструктурных рудных (преимущественно крутопадающих) мощных и средней мощности месторождений.

Предмет исследований - горнотехническая система, включающая подземный рудник и подземный обогатительный комплекс, с технологией, обеспечивающей эффективную выемку руд и сохранение качественного состояния природной среды.

Основные задачи исследований:

1. Оценка современного состояния изученности проблемы, выполнение анализа основных особенностей природных, социально-экономических условий подземной разработки рудных месторождений, разработка и научное обоснование технологии, классификация систем разработки и технологических схем очистной выемки руд с закладкой выработанных пространств на основе хвостов подземных обогатительных комплексов.

2. Обоснование научно-методических положений полного размещения хвостов подземного обогатительного комплекса, рациональную закладочную смесь, установление параметров очистных блоков и выполнение технико-экономического сравнения технологий, предлагаемой и на базе производительных систем разработки с открытым выработанным пространством.

3. Обоснование принципов, научно-методических положений вскрытия рудных месторождений в новой горнотехнической системе и формирования транспортно-вентиляционных систем подземных обогатительных комплексов.

4. Обоснование структуры и состава подземного горно-обогатительного комплекса, структуры его управления, разработка научно-методических положений, расчетных методов выбора рационального места размещения обогатительного комплекса в подземном пространстве.

5. Обоснование и разработка принципиальной технологической схемы освоения рудных месторождений более высокого уровня промышленной и экологической безопасности на базе использования подземных горно-обогатительных комплексов, критерия дисконтированной экономико-экологической оценки эффективности подземных горно-обогатительных комплексов для установления рациональных областей их использования.

Методы исследований: поставленные задачи решены с применением комплекса современных методов, включающего анализ теории и практики разработки месторождений традиционным способом с расположением обогатительных фабрик и хвостохранилищ на земной поверхности и на базе подземных горно-обогатительных комплексов; теоретические исследования и классификация; аналитический, технико-экономический и экологический анализ технологий очистной выемки, управления горным давлением, размещения обогатительных комплексов в подземном пространстве; моделирование напряженно-деформированного состояния пород вокруг технологических камер обогатительного комплекса.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на использовании достоверных геологических материалов, сходимости результатов экономико-экологического сравнения предложенной технологической схемы освоения Ново-Широкинского золото-полиметаллического месторождения на базе использования подземного горно-обогатительного комплекса и проектной, внедрении рекомендаций в горное производство, на полученном патенте на способ разработки сложноструктурных мощных и средней мощности крутопадающих рудных месторождений и решении РОСПАТЕНТА о выдаче патента на заявленное изобретение по способу разработки рудных месторождений с применением подземных обогатительных комплексов.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Технологией разработки сложноструктурных крутопадающих рудных месторождений сплошной слоевой выемкой наклонных или вертикальных прирезок с комбинированной закладкой выработанного пространства с использованием хвостов подземного обогатительного комплекса достигается повышение эффективности разработки, рациональное складирование хвостов комплекса, снижение накопления вредных и токсичных веществ на земной поверхности

2. Построение технологической схемы освоения крутопадающего рудного месторождения, формирующей новую горнотехническую систему более высокого уровня промышленной и экологической безопасности, базируется на взаимосвязях подземного рудника и подземного обогатительного комплекса.

3. Безопасное и эффективное обогащение руд в подземном пространстве достигается на основе реализации комплекса обоснованных принципов, научно-методических положений и расчетных методов выбора рационального места размещения обогатительного комплекса и формирования его транспортно-вентиляционной системы.

4. Обоснованным и разработанным критерием дисконтированной экономико-экологической оценки устанавливаются рациональные области эффективного использования подземных горно-обогатительных комплексов.

1. Предложенный способ разработки рудных месторождений (РЕШЕНИЕ РОСПАТЕНТА о выдаче патента на изобретение по заявке (21) № 2007111109/03(012066)), включающий добычу и обогащение руд в едином подземном пространстве, положен в основу технологии освоения крутопадающих рудных месторождений с закладкой выработанного пространства на базе использования подземных горно-обогатительных комплексов.

2. Предложенным способом разработки сложноструктурных мощных и средней мощности крутопадающих рудных месторождений сплошной слоевой выемкой наклонных прирезок с закладкой выработанного пространства с искусственной потолочиной (Патент РФ на изобретение № 2327038) достигается повышение эффективности разработки месторождений.

3. Предложена принципиальная технологическая схема новой горнотехнической системы освоения крутопадающего рудного месторождения, основанная на взаимосвязях подземного рудника и подземного обогатительного комплекса, позволяющая повысить полноту извлечения руд и сохранять качественное состояние природной среды в районе производственной деятельности горного предприятия.

4. Установленные закономерности изменения комплексных затрат, связанных с размещением обогатительного комплекса в подземном пространстве, по глубине от земной поверхности, длине по простиранию и вкрест простирания месторождения, положены в основу методики выбора места размещения при разработке крутопадающих и слабонаклонных (пологих) месторождений, реализованной при определении рациональных параметров комплекса применительно к условиям Ново-Широкинского золото-полиметаллического месторождения.

5. Для практической реализации в проектировании технологии закладочных работ предложена ресурсосберегающая конструкция комбинированной закладки выработанного пространства, включающая бесцементную гранулированную закладку на основе хвостов подземного обогатительного комплекса и бетонную удерживающую стенку, толщина которой определяется по установленным зависимостям от угла падения рудного тела при заданных ширине очистного слоя и прочности стенки.

6. Впервые обоснованы принципы полного размещения хвостов подземного обогатительного комплекса с промежуточным складированием в накопительных камерах; установленные зависимости загрузки и разгрузки накопительных камер, положены в основу доказательства целесообразности слоевой очистной выемки.

Практическое значение работы состоит в следующем:

1. Реализована в проекте технология бесцеликовой селективной очистной выемки сложноструктурных крутопадающих рудных тел.

2. Разработана методика выбора места размещения обогатительного комплекса в подземном пространстве, включающая этапы оптимизации и корректировки по геомеханическим условиям горного массива.

3. Предложена двухярусная схема вентиляции технологических камер, обеспечивающая обособленный отвод загрязненного воздуха.

4. Предложен мониторинг подземного горно-обогатительного комплекса, реализация которого обеспечивает сохранение качества природной среды.

5. Предложенные классификации технологических схем очистной выемки руд, систем разработки с закладкой выработанного пространства на основе хвостов обогащения, систем разработки по техногенным воздействиям на природную среду предназначены для выбора рациональной технологической схемы очистной выемки.

6. Размещение хвостов в подземном пространстве существенно уменьшает количество вредных и токсичных веществ, накапливаемых на земной поверхности.

Личный вклад автора заключается в следующем:

Выполнен анализ теории и практики освоения рудных месторождений в России и за рубежом, состояния окружающей среды; выявлена система факторов, влияющих на эффективность горного производства; разработаны и обоснованы технология и технологическая схема освоения сложноструктурных крутопадающих мощных и средней мощности рудных месторождений сплошной слоевой выемкой наклонных (вертикальных) прирезок с комбинированной закладкой выработанных пространств на базе использования ПГОК, классификации технологических схем очистной выемки и систем разработки с закладкой на основе хвостов обогащения; разработан комплекс научно-методических положений, принципов, расчетных методов и методика выбора места размещения обогатительных комплексов в подземном пространстве и формирования транспортно-вентиляционных систем; обоснованы принципы промышленной и экологической безопасности и мониторинг природной среды при освоении рудных месторождений ПГОК, предложена классификация систем разработки по техногенному воздействию на окружающую среду; разработана методика сравнительной дисконтированной оценки экономической эффективности ПГОК.

Реализация результатов работы. Разработанная и обоснованная система разработки крутопадающих мощных и средней мощности сложноструктурных рудных тел сплошной слоевой выемкой наклонных прирезок с закладкой выработанного пространства принята к внедрению ЗАО «Многовершинное» (2007 г.) с годовым экономическим эффектом двенадцать млн. руб. и ОАО «Ново-Широкинский рудник» (2006 г.) с годовым объемом добычи 150 тыс. т и ожидаемым экономическим эффектом 14,6 млн. руб. На способ разработки сложноструктурных крутопадающих мощных и средней мощности рудных месторождений имеется Патент РФ на изобретение № 2327038.

Приняты к проектным работам АО «ЗабайкалцветметНИИпроект» методические рекомендации «Выбор рационального места размещения подземного обогатительного комплекса» (2002 г.), согласованные с Читинским округом Госгортехнадзора РФ.

Результаты исследований внедрены в учебный процесс.

Диссертационная работа содержит результаты исследований, выполненных автором по теме «Научные основы создания подземных обогатительно-добычных комплексов при разработке руд цветных металлов», регистрационный номер ЧитГТУ 15-96 г / б параграф 53, утвержденной Государственным Комитетом Российской Федерации по высшему образованию, № госрегистрации 019600040216.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на расширенных заседаниях кафедр разработки месторождений полезных ископаемых Санкт-Петербургского горного института им. Г.В. Плеханова (2007 г.), подземной разработки месторождений полезных ископаемых Иркутского и Дальневосточного государственных технических университетов (2003 г.), в Московском государственном горном университете на симпозиумах «Неделя горняка» (2005-2006 гг.), на Международной конференции «Экологически чистые технологические процессы в решении проблем охраны окружающей среды» (Иркутск, 1996 г.); Международной конференции «Забайкалье на пути к устойчивому развитию: экология, ресурсы, управление» (Чита, 1997 г.); Юбилейной международной конференции «Наука и образование на рубеже тысячелетий» (Чита, 1999 г.); 2-й Международной конференции «Забайкалье на пути к устойчивому развитию: экология, ресурсы, управление» (Чита, 2001 г.); Межрегиональной научно-технической конференции, посвященной 40-летию ЗабНИИ «Новый век - новые открытия» (2001 г.); в Читинском округе Госгортехнадзора РФ (2002 г.); научно-практическом семинаре «Добыча золота. Проблемы и перспективы» - Хабаровск, Администрация Хабаровского края, Хабаровский научный центр ДВО РАН, Институт горного дела ДВО РАН, 1997 г.; на Международном совещании «Экологические проблемы и новые технологии комплексной переработки минерального сырья». Плаксинские чтения (Чита, 2002 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 40 печатных работах автора, в том числе, монографии, учебном пособии; 14 работ опубликованы в рекомендованных ВАК РФ источниках. Получены один патент и одно решение на выдачу патента, три авторских свидетельства на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 237 наименований, 8 приложений, изложена на 262 страницах текста, содержит 37 таблиц, 49 рисунков.

Автор признателен д. т. н., проф. Г. В. Секисову и д.т.н., проф. М. В. Костромину за научные консультации, зав. кафедрой ПРМПИ ЧитГУ, д. т. н., проф. В. М. Лизункину за советы и поддержку. Особую благодарность автор выражает кафедрам РМПИ Санкт-Петербургского горного института, ПРМПИ Иркутского и Дальневосточного технических университетов за ценные замечания по результатам обсуждений.

2. Основное содержание работы

Состояние проблемы. Основными факторами, усложняющими и удорожающими разработку рудных месторождений на больших глубинах, установлены повышение горного давления, снижение производительности подъема руды, увеличение общей протяженности транспортно- подъемных выработок. Большая часть применяемых в настоящее время систем разработки характеризуются высокими потерями руды. Потери при системах с открытым выработанным пространством по блоку составляют 15…18%, с обрушением - 15..20%, что обусловливает ускоренное истощение минеральных ресурсов. При системах с закладкой достигается высокая полнота выемки, но ценой значительных издержек, обусловленных прежде всего затратами на закладочные материалы - заполнители, что существенно снижает их конкурентоспособность. Выполненный анализ применяемых систем разработки позволил сделать вывод, что дальнейшее повышение эффективности горного производства с подземной добычей руд следует связывать с нетрадиционными способами освоения месторождений. Одним из таких способов установлено освоение на базе использования подземных горно-обогатительных комплексов (табл. 1).

Горная техника и технология подземной разработки рудных месторождений значительное развитие получили во второй половине XX века. Вклад в развитие теории и практики подземной разработки рудных месторождений внесли М.И. Агошков, И. И. Айнбиндер, Г. И. Богданов, Э. И Богуславский, Д. М. Бронников, А. В. Будько, А. С. Воронюк, Н. З. Галаев, Ю. П. Галченко, И. В. Дементьев, Н. В. Дронов, Н. Ф. Замесов, В. Р. Именитов, Д. Р. Каплунов, В. В. Кравцов, Л. Н. Крупник, Е. В. Кузьмин, В.И. Култышев, В. М. Лизункин, Г. Г. Ломоносов, В. П. Лушпей, А. И. Ляхов, В. Н. Мосинец, В. А. Симаков, В. И. Терентьев, З. А. Терпогосов, А. А. Фаткулин, М. Н. Цыгалов, В. А. Шестаков и многие другие ученые.

Таблица 1. Преимущества освоения рудных месторождений на базе использования подземных горно-обогатительных комплексов

Ново-Широкинское месторождение относят к Новоширокинскому геолого-промышленному типу полиметаллических месторождений, представленных жилами и штокверковыми зонами в силикатных породах (эффузивах, гранитоидах и др.). Расположено в юго-восточной части Забайкалья. Мощность рудных тел колеблется в пределах 4…30 м, угол падения 75, глубина оруденения свыше 700 м. Месторождение представлено рудами средней ценности: содержание свинца 3,7 %, цинка 1,8 %, золота 3,29 г / т, серебра 86,55 г/т. Климат резко континентальный. Продолжительность холодного периода 190…210 суток.

Основные результаты выполненных исследований приводятся в обоснованиях следующих защищаемых научных положений.

1. Технологией разработки сложноструктурных крутопадающих рудных месторождений сплошной слоевой выемкой наклонных или вертикальных прирезок с комбинированной закладкой выработанного пространства с использованием хвостов подземного обогатительного комплекса достигается повышение эффективности разработки, рациональное складирование хвостов комплекса, снижение накопления вредных и токсичных веществ на земной поверхности.

При размещении обогатительных комплексов (ОК) в недрах возникает проблема промежуточного размещения текущих хвостов. Предложено промежуточное складирование хвостов в накопительных камерах, включаемых в структуру непосредственно ОК или структуру закладочного комплекса. Необходимый объем накопительных камер обусловливается порядком ведения закладочных работ. Как известно, закладка выработанных пространств может быть последующей или одновременной, что определяется системой разработки: при камерной выемке производят последующую закладку после полной отработки очистной камеры, слоевой - одновременную. Одновременная закладка существенно уменьшает объемы разового накопления. В случае камерной выемки требуемый объем накопительных камер для текущих хвостов возрастает многократно. Так, очистная камера размерами 50 х 20 х 60 м имеет объем 60 тыс. м³. Очистная камера отрабатывается с суточной производительностью 800 м ³ в течение 75 суток. Общий объем накопления хвостов с учетом разрыхленного состояния и наличия воды равен 90 тыс. м ³, что требует сооружения накопительной камеры указанного объема стоимостью свыше 100 млн. р. Общая продолжительность заполнения и разгрузки накопительной камеры (рис. 1) при указанном объеме очистной камеры составляет 95 суток.

Рис. 1. Зависимость продолжительности заполнения и разгрузки накопительных камер ОК при очистной камерной выемке от объема камеры

На основании выполненных исследований сделан важный вывод: режиму складирования текущих хвостов подземного обогатительного комплекса наиболее соответствует технология разработки рудных тел слоевой выемкой, позволяющей значительно уменьшить объемы промежуточного складирования (рис. 2), а следовательно, затраты на сооружение накопительных камер. Автором предложена система разработки мощных и средней мощности крутопадающих сложноструктурных рудных тел сплошной слоевой выемкой наклонных прирезок с закладкой выработанных пространств, в основу которой положены принципы технологии разработки мощных пологих рудных залежей Норильских месторождений, разработанной И. И. Айнбиндером, Д. М. Бронниковым, Н. Ф. Замесовым и другими учеными ИПКОН АН СССР (РАН).

Рис. 2. Зависимость продолжительности заполнения и разгрузки накопительной камеры при слоевой очистной выемке

Сущность системы (рис. 3) состоит в том, что очистной блок в направлении вкрест простирания, начиная от висячего бока, делят на наклонные прирезки с углом наклона, равным углу падения рудного тела, которые отрабатывают слоями толщиной 3…4 м снизу вверх по простиранию с заполнением выработанных пространств закладочной смесью на основе хвостов подземного обогащения. Ширина прирезок, следовательно, слоев обоснована 8 м. В целях сокращения потерь руды нижнюю часть блока предложено извлекать заходками высотой 3,5…4 м на всю его площадь. Отработанные в определенной последовательности заходки после формирования в них арматурных объемно-пространственных решеток заполняют твердеющей смесью. Таким образом, после полной выемки и закладки нижней части блока образуется сплошной железобетонный массив, служащий искусственной потолочиной для смежного по вертикали нижележащего блока (рис. 3, С - С).

Разработка рудных тел большой мощности характеризуется рядом факторов, снижающих ее эффективность. Усложняется подготовка блоков, возрастают объемы полевых выработок. Предложен вариант системы разработки слоевой выемкой вертикальных прирезок вкрест простирания рудного тела. Наклонный съезд для перемещения самоходных машин очистного комплекса проходится на фланге блока во временном целике.

Рис. 3. Система разработки сложноструктурных мощных и средней мощности крутопадающих рудных тел сплошной слоевой выемкой наклонных прирезок с закладкой

На рис. 3 изображены: 1 - откаточные штреки; 2 - откаточный орт; 3 - наклонный съезд; 4 - заезды; 5 - восстающие; 6 - породоспуск; 7 - рудоспуск; 8, 9 - рудные штреки и заходки, заложенные армированной твердеющей закладкой; 10 - наклонные прирезки; 11 - искусственная потолочина; 12 - искусственная потолочина нижележащего блока; 13 - породные включения.

При подработке искусственной потолочины в ней возникают изгибающие напряжения, обусловленные действием сил от собственного веса потолочины и пригрузки от вышележащих слоев (рис. 4).

Рис. 4. Расчетная схема к определению изгибающих напряжений в потолочине: 1-потолочина; 2 - отработанные и заложенные слои; и - изгибающие напряжения

Установлен предельный пролет обнажения искусственной потолочины - он равен 19,6 м, что удовлетворяет принятой ширине слоя (прирезки) - 8 м. Получены зависимости ширины рудного слоя от глубины ведения горных работ Н в диапазоне 600…1800 м и предела прочности руды на сжатие, равного 140 МПа (руда Ново-Широкинского месторождения), 120 МПа, 100 МПа и 80 МПа (рис. 5).