CC BY
45
АЖИННАЯ: ГИДРОДОБЫЧА :
Л
В.Л. Колибаба, Е.А. Калиш, ' ; !
D. Киреев, В.С. Ульяненко, 2000 '
УДК 622.485:622.276
В.Л. Колибаба, Е.А. Калиш, Ф.Ф. Киреев,
В.С. Ульяненко
КОНЦЕПЦИЯ КОМБИНИРОВАННОЙ РАЗРАБОТКИ КОР ВЫВЕТРИВАНИЯ
Ж
елезорудные месторождения Курской магнитной аномалии (КМА) представлены двумя типами руд: железистыми кварцитами, являющимися бедной (30-40 % железа) рудой, требующей обогащения; богатыми железными рудами, являющимися древней погребенной корой выветривания железистых кварцитов. Эти руды содержат 50-60 % железа и могут использоваться в металлургической промышленности без обогащения.
В настоящее время на КМА открытым способом разрабатываются месторождения железистых кварцитов. Освоение глубокозале-гающих (400-1000 м) месторождений будет осуществляться подземным способом, для этого на Яковлевском месторождении строится опытный рудник.
Учитывая, что начиная с 2000 г. горнодобывающая отрасль страны ежегодно будет терять 10-12 % мощностей по добыче сырой и производству товарной руды, а для ввода новых мощностей требуется до 500 млн. долл. предлагается ускорить освоение месторождений богатых руд за счет применения комбинированного способа, предусматривающего освоение месторождений в два этапа. На первом этапе добыча рыхлых руд через скважины, пробуренные с поверхности (способ СГД); на втором - доработка оставшихся, в основном, прочных руд подземным способом.
В бассейне Курской магнитной аномалии сосредоточено свыше 60 % запасов железных руд Российской Федерации. Крупные масштабы и относительно благоприятные технико-экономические показатели горнорудных предприятий на базе месторождений КМА предопределили развитие этого бассейна как основной железорудной базы черной металлургии не только в Центральных районах, тяготеющих к КМА территориально, но и в более отдаленных районах с развитым металлургическим производством. К их числу относятся прежде всего Южный Урал, Западная Сибирь, а также страны Восточной Европы.
Исключительно большое значение для страны имеют открытия, связанные с обнаружением в 1953 году Яковлевского месторождения богатых руд. В течение нескольких лет форсированными геологоразведочными работами было открыто и изучено еще девять крупных месторождений богатых руд, в том числе Гостищев-ское, Большетроицкое, Мелихово-Шебекинское и другие, выделенные в самостоятельный Белгородский железорудный район.
В 1958 году с утверждением запасов на Яковлевском и Гости-щевском месторождениях была создана основа для строительства крупных горных предприятий по добыче богатых руд. В декабре 1958 г. институт "Южгипруда" составил технико-экономическое обоснование по разработке Яков-левского месторождения. В 1959 г. начато строительство стройбазы, подъездных путей к ней и жилого
комплекса для горняков. Одновременно проводились исследования по доизучению горно-геологических условий разработки месторождений.
Запасы Центрального участка Яковлевского месторождения обеспечивают строительство весьма крупного подземного рудника производительностью до 20 млн. тонн руды в год. Однако, учитывая весьма сложные горногеологические условия отработки месторождения, не имеющих аналогов в горнорудной практике, было принято решение вести строительство рудника очередями. Мощность первой очереди была определена в 4,5 млн. тонн железной руды в год.
В соответствии с техническим проектом, составленным в 1971 году институтом "Центрогипро-руда", срок строительства рудника производительностью 1 млн. т руды в год определен в 9 лет, а выход на проектную мощность 1-й очереди (4,5 млн. т) предусматривался еще через четыре года. Проект подземной отработки Яковлевского месторождения состоит в основном в следующем. Шахтное поле 1 ой очереди рудника длиной 1,3 км вскрывается тремя вертикальными шахтными стволами диаметром 7,5 м в свету. При проходке стволов применен способ замораживания, до глубины 630 м стволы закреплены чугунными тюбингами с узлами податливости, которые предупреждают разрушение крепи стволов при проседании поверхности.
Система разработки месторождения позволяет вести горные работы с осушением только нижних водоносных горизонтов в рудокристаллической толщи и в известняках, оставляя нетронутыми верхние водоносные горизонты, являющиеся источником водоснабжения района.
Осушение осуществляется в два этапа: первый этап - предварительное водопонижение с помощью системы водопонижающих скважин, пробуренных с поверхности; второй этап - подземный дренаж рудного тела для снятия остаточных напоров с помощью дренажных скважин, сооружаемых из подземных горных выработок.
Общий приток воды в горные выработки ожидается в пределах
3500 м3/час. Для откачки шахтных вод на откаточном горизонте предусмотрены две заглубленные насосные станции. В результате осушения месторождения ожидается уплотнение осадочной толщи с осадкой поверхности до 2,5 м.
Отработка месторождения предусматривается системой слоевой выемки с твердеющей закладкой. В каждом слое предусмотрены центральные и вентиляционнозакладочные штреки, а также орты. Этими выработками залежь разбивается на панели, длиной по простиранию около 100 м, шириной вкрест простиранию на мощность залежей и высотой 6,2 м. Очистные работы начинаются проходкой захо-док из центральных слоевых штреков. После выемки заходки в начале и в конце ее устраиваются изолирующие перемычки, на почву укладывают вентиляционные трубы и металлическую сетку, а выработанное пространство заполняют твердеющей закладкой. Закладка подается в выработанное пространство по трубопроводам самотеком, а на горизонтальных участках в шахте -под давлением сжатого воздуха. Выемка заходок, примыкающих к ранее пройденным, начинается после того, как закладка приобретает необходимую прочность (6-9 МПа).
Для приготовления закладки, состоящей из смеси цемента, песка и воды, на поверхности сооружается необходимый комплекс. Подземная транспортировка руды предусматривается конвейером и электровозами в вагонетках. На площадках надшахтных зданий и околостволь-ных дворов предусмотрены механизированные комплексы для обмена вагонеток.
Общая сметная стоимость строительства Яковлевского подземного рудника в ценах 1991 года определена в 335 млн. руб. Строительство подземного рудника ведется с 1974 года. К настоящему времени освоено 230 млн. руб., для завершения строительства требуется 130-160 млн. руб.
В настоящее время в мире применяется четыре основных способа разработки месторождений твердых полезных ископаемых: открытый (карьеры, разрезы), подземный (шахты), комбинированный
(карьеры и шахты) и повторный (карьеры, шахты). Кроме них применяются специальные способы: выщелачивание, выплавление, газификация, бактериологические и т.п. Комбинированная разработка месторождений может быть представлена различными вариантами увязки открытых, подземных и нетрадиционных способов разработки.
Всероссийским институтом минерального сырья МПР разработан принципиально новый способ добычи глубокозалегающих руд месторождений твердых полезных ископаемых, так называемый способ скважинной гидродобычи, который экологически более безопасен, не сопровождается отмеченными отрицательными воздействиями на окружающую среду, не требует отвода больших площадей земель, безопасен для обслуживающего персонала (патент № 1547439).
Сущность метода заключается в том, что с поверхности на площади месторождения бурятся скважины до подошвы рудного пласта. В скважину под большим давлением подается вода, которая размывает снизу рудный пласт, а образовавшаяся смесь рудной массы и воды (пульпа) по меж-трубному пространству выдается на поверхность, где обезвоживается, а осветленная вода подается в скважину для размыва руды.
Особый интерес представляет возможность добычи этим способом на КМА рыхлых богатых руд, залегающих на глубинах 400-800 м и характеризующихся сильной обводненностью. Добыча таких руд обычными способами без применения дорогостоящих специальных мер защиты невозможна. Поэтому, несмотря на огромные запасы этого типа железных руд, основным железорудным сырьем в черной металлургии являются в настоящее время бедные магнетитовые руды, содержащие 32-34 % железа и требующие обогащения. Добыча их производится открытым способом с применением взрывных работ. Производство 1 млн. т товарной руды (концентрата) из этого типа руд в условиях КМА связано с потерей 15 га земель, в основном пахотных, для размещения
вскрышных пород и отходов обогащения.
Способ СГД опробован в опытно-промышленных условиях. В результате проведенных работ установлено наличие руд различной прочности, составляющих рудный массив, позволяющих вести разработку месторождения комбинированным способом в две стадии: первоначально - способом скважинной гидродобычи с поверхности и затем, оставшиеся запасы - подземным способом.
При выветривании магнетито-вых, силикатно-магнетитовых, гема-тито-магнетитовых кварцитов образовались мощные залежи высокопористых богатых руд, сложенных мартитовыми, железнослюдко-во-мартитовыми, гетит-
гидрогематитовыми раз-ностями. В результате последующего наложения процессов карбонатиза-ции, сидеритизации и хлоритиза-ции сформировалась зональность рудных залежей. Выделяются следующие зоны (снизу вверх):
• первичных (неокисленных) кварцитов;
• мартитизированных (окисленных) кварцитов;
• спорадической карбонатизации и хлоритизации;
• слабо проявленных эпигенетических процессов;
• хлоритизации;
• интенсивной карбонатизации.
Физико-механические свойства
руд, слагающих эти зоны, существенно изменяются в зависимости от интенсивности выветривания и наложенных эпигенетических процессов (табл. 1).
Наибольшей прочностью обладают железистые кварциты, не затронутые выветриванием. Временное сопротивление сжатию изменяется от 300 до 400 МПа. Максимальное значение временного сопротивления у амфиболо-магнетитовых кварцитов, минимальное - у железнослюдковых.
В зоне затронутой выветриванием прочность кварцитов снижается до 100 МПа, а у наиболее выветрелых разностей до 60 МПа. Мощность зоны окисления по кварцитам обычно составляет первые метры.
Богатые железные руды слагают рыхлые и прочные разности, при этом их сочетание имеет очень сложный характер. Прочность богатых, первично рыхлых руд зависит от степени цементации и состава цемента. Общей закономерностью для крупных железорудных месторождений (Яков-левс-кое, Гостищевское, Вислов-ское и др.) является
убывание с глубиной интенсивности цементации. В разрезе наблюдается постепенная сверху вниз смена прочных богатых руд, с сопротивлением сжатию 150-200 МПа и пористостью 6-10 % (зона интенсивной карбонатизации), более слабыми рудами, с временным сопротивлением сжатию 6-20 МПа и пористостью 10-25 % (зона хлоритизации). Еще ниже залегают полурыхлые и рыхлые разности руд, характеризующиеся уменьшением временного сопротивления сжатию до 0,1-2 МПа и увеличением пористости до 28-46 % (зона слабо проявленных эпигенетических процессов). Ниже зоны сложенной полурыхлыми и рыхлыми рудами наблюдается переходная (от богатых руд к кварцитам) зона с содержанием цементирующих минералов (марша-лита, шамозита, кар-бонатитов) до 10 %. По прочности они являются полускальными, с сопротивлением сжатию 20-30 МПа и пористостью 8-13 %.
Мощности прочных и рыхлых руд зависит от мощности залежи и изменяется от первых десятков
метров до сотни метров. Очертания границ между рассмотренными выше разностями руд весьма сложные, как и границы самой подошвы коры выветривания, которая нередко вдается глубокими языками в железистые кварциты.
Содержание железа в железистых кварцитах в среднем составляет 35 %. Основное его количество содержится в магнетите и железной слюдке, а в зоне окисления, а в зоне окисления - в мар-тите. В окисленных кварцитах содержание железа повышается на 2 % и составляет 37 %.
Различные минералогические типы железистых кварцитов имеют относительно близкие содержания железа. Наиболее низкие его содержания приходятся на слаборудные магнетито-силикатные кварциты (25-30 %), а наиболее высокие (35-39 %) - на железнос-людково-магнетитовые и желез-нослюдковые.
Содержание железа в богатых железных рудах колеблется от 50 до 68 %. При этом различные по агрегатному состоянию (прочные, рыхлые) руды характеризуются различным содержанием железа. В прочных рудах содержание железа составляет 55 %, в рыхлых - 65 %. Уменьшение содержания железа в прочных рудах связано с тем, что они содержат большее количество (до 50 %) цементирующего сидерита, имеющего низкое (48 %) содержание железа. В целом содержание железа в рудах увеличива-
ется по сравнению с содержанием его в кварцитах почти в два раза, при этом к почве залежей содержание железа обычно снижается, фиксируя постепенный переход богатых руд в железистые кварциты.
Шлакообразующие - кремнезем и глинозем - в богатых рудах в среднем по различным залежам составляют соответственно 3-7 % и 2,5-6 %. Связаны они с хлоритом и глинистыми минералами. Кроме того, у подошвы залежей кремнезем присутствует за счет остаточного кварца железистых кварцитов и сланцев.
Летучие компоненты в рудах различных месторождений составляют в среднем от 2 до 15 % и представлены оксидом углерода, входящего в состав карбонатов, и кристаллизационной водой гидроокислов железа. В прочных рудах, всегда обогащенных сидеритом и хлоритом, содержание летучих значительно выше, чем у рыхлых.
Соотношение прочных и рыхлых руд на месторождениях различно. На месторождениях с малой (до 50 м) мощностью рудных тел прочные руды обычно преобладают над рыхлыми, составляя 70-80 %. При большой (более 50 м) мощности рудных тел, рыхлые руды преобладают над прочными, достигая 60 %.
Добыча рыхлых руд с прочностью до 2 МПа способом СГД наиболее проста. На первом этапе гидромонитором вокруг добычной
Таблица 1
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ТИПИЗАЦИЯ РУД РУДНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
Тип руд Прочность на сжатие, МПа Пористость, % Содержание, % Способ разработки
Fe SiO2 АІ203 Летучие
Богатые руды Рыхлые Полурыхлые Слабопрочные (слабосцементиро- ванные) 0 - 2 2 - 6 6 - 20 28-46 21-36 10-25 65 63 58 2,8 2,8 3,3 1,6 2,6 6 2 3,6 7 Выемка через скважины, гидромониторный размыв руд Выемка через сква-жины, обрушение руды и гидравлический размыв. Доработка подземным способом.
Прочные (сцементированные) Кварциты Неокисленные Окисленные 20-150 300-400 60-100 6-10 1-7 7-17 55 35 37 2,3 41 39 2,6 1,2 2,4 15 2,5 4,7 Подземный
скважины создается выработанное пространство и при достаточно интенсивном отборе руды она самотоком будет двигаться к забою скважины.
Добыча руд имеющих прочность до 10 МПа возможна при применении системы с принудительным обрушением и использовании высоконапорного гидравлического воздействия, обеспечивающих перевод руды в подвижное состояние.
Руды, имеющие прочность более 10 МПа, не размываются гидромониторной струей, а при применении системы с обрушением полученная кусковатость руды будет затруднять их доставку на поверхность из-за ограниченных проходных сечений пульпоподъемных средств. Отрабатывать руды такого типа возможно только подземным способом.
Таким образом, отработка месторождений богатых руд возможна комбинированным способом, сочетающим скважинную и подземную отработку.
В основу обоснования комбинированного способа нами положены принципы пространственновременного сочетания скважинной гидродобычи с поверхности и подземной, повторной разработки в пределах одного месторождения (патент № 5034563).
Такой способ имеет значительные преимущества: в максимальной степени интенсифицируется отработка месторождения на первой стадии разработки; становится экономически выгодной отработка многих месторождений, которые отрабатывать только подземным или только открытым способом нецелесообразно; возможно в более короткий срок, чем при подземных работах, развить значительную производительность рудника; обеспечивается извлечение наиболее богатой части руд на первой стадии отработки; существенно улучшаются технико-экономические результаты разработки; значительно повышается эффективность капитальных вложений.
Расчеты показывают, что использование новых технических решений при разработке месторождений богатых железных руд КМА по-
зволяет удовлетворить металлургическую потребность в железорудном сырье на уровне современных, сократив добычу бедных руд .
При разработке месторождений способом СГД осуществляется операция по переводу руды в гидросмесь (пульпу). Скорость перевода руды в подвижное состояние зависит от многих факторов: прочности руд, условий залегания и т.д., при этом процесс осуществляется в условиях естественной обводненности. Различные части месторождения характеризуются различными соотношениями руд по прочности и мощности и гидрогеологическими условиями, влияющими на перевод руды в подвижное состояние. Эти особенности будут определять необходимость применения различных технологических режимов процесса СГД и должны учитываться при проектировании, а следовательно, их необходимо выявить при разведке.
Учитывая, что месторождения богатых руд разведывались для подземной отработки, необходимо доизучить их в части требований технологии СГД, создав на месторождениях опытные участки по изучению факторов, влияющих на технологию и результаты способа.
В данной обстановке своевременным является поиск путей и вариантов наиболее оптимального вовлечения запасов Яковлевского месторождения в эксплуатацию, с учетом возможности использования построенных сооружений и объектов, а также с учетом изменения гидродинамического режима в результате проведенных работ по осушению месторождения и просадки дневной поверхности.
В качестве первоочередных объектов проведения опытных работ способом СГД целесообразно выбрать участки за пределами проектируемого развития горных работ при отработке запасов Яковлевского месторождения подземным способом. Это позволит оптимально совместить работы подземным способом с одновременным проведением работ по добыче богатых железных руд способом СГД на флангах месторождения. Следует отметить, что основным исходным условием для
постановки СГД является возможность выполнять подземную добычу руды при достижении Яков-левским рудником проектной мощности 4,5 млн. тонн в год. Вместе с тем, развитие депресси-онной воронки при понижении уровня вод в центральной части месторождения не затронет глубоких горизонтов на его флангах, что позволит сохранить необходимую обводненность этих запасов, которая является главной предпосылкой для успешного проведения добычи способом СГД.
Сооружение опытного промышленного участка СГД на Яковлев-ском руднике возможно осуществить за счет отчислений на воспроизводство минерально-сырьевой базы, привлечение средств металлургических заводов России, заинтересованных в получении высококачественного железорудного сырья.
По нашему мнению, следует начать создавать мощности по добыче на тех месторождениях КМА, где сосредоточены основные запасы руд с высоким содержанием железа.
Необходимость решать задачи разработки месторождений богатых руд на уровне новейших достижений горной науки и техники вытекает не только из сложных условий месторождений, но и из совершенно исключительных их запасов и ценности , дающих качественно новую базу для металлургии.
Выявленные к настоящему времени запасы богатых руд столь огромны, что основной целью геологов должно быть не столько дальнейшее прогнозирование и увеличение разведанных запасов, сколько детальное доизучение технологического и гидрогеологического строения рудных полей, массивов посредством проведения на опытном полигоне работ по добыче железной руды через скважины и на этой основе перевода запасов из пассивных в активные.
При организации участка (поли-гона)опытных работ предусматривается сооружение двух технологических скважин диаметром 219 мм, что обеспечит объем годовой добычи не менее 200 тыс. тонн богатой железной руды. Выбор такой производительности участка позволит в результате опытных работ сделать обоснованные выводы о целесооб-
разности строительства в дальнейшем крупных предприятий СГД. Кроме того, на участке предусматривается сооружение четырех скважин меньшего диаметра многоцелевого назначения, которые будут использованы для получения геологической и геофизической информации, контроля за состоянием рудного массива, а также для нагнетания воды в рудную залежь. На площадке размещаются также насосная и компрессорная станции, трубопроводы сжатого воздуха и воды, пульповод, отстойник и другие сооружения, обеспечивающие процесс проведения СГД. Срок строительства всех объектов участка опытных работ на Яковлевском месторождении не превысит 1 года.
Выполнены укрупненные технико-экономические расчеты по обоснованию целесообразности организации полигона опытных работ СГД
на Яковлевском месторождении производительностью 200 тыс. тонн в год. Для ввода в действие такого участка СГД необходимые ассигнования в ценах 1999 года определены в 76,4 млн. руб. Наряду с проведением собственно опытных работ на участке СГД будет осуществляться попутная добыча и реализация богатой железной руды. Руда такого качества имеет высокую ценность и пользуется устойчивым спросом на внутреннем и мировом рынках. Она может быть эффективно использована для производства суперконцентратов, пигментов, в порошковой металлургии и др. Стоимость 1 тонны товарной руды СГД для металлургического производства в ценах 1999 года составляет не менее 220 руб., соответственно годовой выпуск продукции в денежном выражении составит 44 млн. руб. Себестоимость добычи и
подготовки 1 тонны руды определена в 80 руб. и годовые эксплуатационные затраты - 16 млн. руб. Годовая балансовая прибыль от реализации руды по участку опытных работ составит 28 млн. руб., что при льготном налогообложении позволит полностью окупить затраты на сооружение участка в течение 2,7 лет. В случае, если часть товарной продукции участка будет реализована в виде сырья более высокой ценности для производства пигментов (красителей), аккумуляторной промышленности порошковой металлургии и др., то срок окупаемости затрат не превысит 2 лет. Таким образом, создание опытного полигона на Яковлевском месторождении определяется не только важным научно-методическим значением, но и характеризуется достаточно высокой экономической эффективностью.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Геология, гидрогеология и железные руды Курской магнитной аномалии (КМА). Том Ш. Железные руды (под редакцией И.Н. Леоненко), М.,19б9 г, 319с.
2. Колибаба В.Л. Технология скважинной гидродобычи с обрушением руды и налегающих пород. М., Горный журнал, 1995, № 1, с. 19-22.
3. Колибаба В.Л., Ульяненко В.С. Подземное захоронение высокоминерализованных шахтных вод Яковлевского рудника. М., Горный журнал, 1995, № 10, с.
4. Орлов В.П., Веригин М.И., Голивкин Н.И., Колибаба В.Л. и др. Железорудная база России. Монография. М., ЗАО "Геоинформмарк", 1998.
5. Путин В.В. Минерально-сырьевые ресурсы в стратегии развития Российской экономики. С.-Петербург, Записки Горного института, 1999. Том 144.
Колибаба В.Л., Киреев Ф.Ф., Ульяненко В.С. - Всероссийский институт минерального сырья им. Н.М. Федоровского
