Методология создания экогеотехнологий подземной разработки жильных месторождений в криолитозоне Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

--------------------------------- © Ю.П. Г алченко, Г.В. Сабянин,

2009

УДК 622.502

Ю.П. Галченко, Г.В. Сабянин

МЕТОДОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ ЭКОГЕО ТЕХНОЛОГИЙ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ ЖИЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В КРИОЛИТОЗОНЕ

ЛУ' арактерной особенностью сырьевой базы Дальневосточного региона является широкое распространение месторождений жильного типа, представленных крутопадающими рудными телами мощностью до 3 м. Особое экологическое значение имеет доминирующее расположение осваиваемых и перспективных месторождений в биомах первичной природы, почти не затронутых хозяйственной деятельностью человека, а также в низкопродуктивных и неустойчивых биомах криолитозоны (грант РФФИ № 09-0500291).

Разработанные Всемирным фондом дикой природы «Основные положения политики экологической и социальной ответственности горнодобывающих компаний» предусматривают «...обезвреживание отходов до состояния, не представляющего опасности для окружающей среды.» и «.уменьшение площадей земельного отвода.» [1, 2]. Кардинальное решение этих проблем при освоении жильных месторождений золота возможно только на основе геотехнологий с замкнутым циклом обращения твёрдого вещества [3]. В целом, реализация этих положений во всех областях развития минерально-сырьевого комплекса привели к формированию нового научно-технического направления по созданию «зелёных» технологий, то есть технологий с минимальным количеством отходов.

Применительно к особенностям подземной разработки золоторудных месторождений можно представить три взаимно дополняющих друг друга пути создания подобных технологий:

• простое сокращение общего объёма отходов посредством перехода к избирательной выемке полезного ископаемого на всех видах горных работ;

• сокращение объёма хранения отходов за счет создания технологий их использования в других отраслях хозяйства;

• сокращение объёма отходов, складируемых на земной поверхности путём частичного (а в идеале - и полного) возврата переработанного вещества литосферы в выработанное пространство.

Первое из обозначенных направлений связано с развитием и применением идей избирательной выемки полезного ископаемого на всех стадиях разработки месторождений. Его реализация имеет в нашей добывающей промышленности достаточно длинную историю [4]. Оно пока не нашло широкого практического применения, но перспективы его развития, по мере роста экологических ограничений производства, неизбежны.

Подземная сортировка была достаточно широко распространена несколько десятилетий назад при разработке богатых месторождений с неравномерным оруденением. Использование технологии забойной сортировки позволяло сократить количество пустых пород, выдаваемых на поверхность на 20-40 %, но требовало огромных затрат ручного труда и усложнения отдельных технологических процессов. Поэтому, по мере развития механизированных способов подземной разработки месторождений, эта технология полностью перестала применяться и вряд ли может быть востребована в перспективе, даже при самых высоких экологических требованиях и ограничениях.

Гораздо более реальную перспективу имеет технологическое направление, основанное на разделении руд и пород по искусственно заданным признакам на стадии отбойки полезного ископаемого. Наибольший научный и практический задел в этой области накоплен при разработке жильных месторождений, как наиболее сложных геологических объектов, эксплуатация которых сопровождается высоким удельным объемом выдачи и размещения на поверхности пустых пород. При использовании технологий с перемещением фронта очистной выемки по восстанию рудных тел возможности раздельной выемки весьма ограничены конструкциями систем и необходимой организацией работ. Поэтому, использование такого способа снижения объемов пустых пород, сопутствующих добыче полезного ископаемого, носило в горной практике эпизодический характер при разработке особо ценных руд. Реальные перспективы промышленного применения принципов раздельной выемки открылись вместе с созданием и практическим освое-

нием горных технологий с выемкой рудных тел прирезками по простиранию и отбойкой руды из горизонтальных (подэтажные штреки) или вертикальных (буровые восстающие) выработок. Из всех возможных вариантов раздельной выемки прямое экологическое значение имеют способы выемки, при которых пустая порода либо отбивается и не выдается из блока, либо вообще не отбивается. Наиболее технологичен и эффективен второй вариант.

Применительно к условиям разработки тонких жил, большие перспективы в области снижения разубоживания, а, следовательно, и количества выдаваемой и размещаемой, после первичной переработки, в хвостохранилищах породы, имеет технология так называемой щелевой выемки и особенно - избирательного дробления руды и породы на всех стадиях развития добычных работ. Технологической основой реализации принципа избирательности добычи полезного ископаемого и построения экотехнологии, является достаточно хорошо проработанные в научном плане и мало применяемые практически разнообразные варианты разделения руд и пород на различных стадиях процесса разработки месторождений. Общая концепция развития этого технологического направления заключается в том, что уровень избирательности технологии добычных работ, путём целенаправленного выбора возможных решений, приводится в соответствие с характером и уровнем изменчивости естественного распределения полезного компонента в разрабатываемом участке литосферы. Признаки, по которым производится это разделение, могут быть естественными или создаваться искусственно (рис. 1).

Возможности использования второго направления определяются наличием технологий повторного использования твёрдых отходов горного производства и может быть с наибольшей эффективностью использован в освоенных районах, что не соответствует реальным экономико-географическим особенностям освоения месторождений золота в криолитозоне [5].

И, наконец, третье направление открывает наиболее интересные перспективы решения, геоэкологических задач, путем создания геотехнологий с полностью или частично замкнутым циклом обращения вещества, извлеченного из литосферы в процессе разработки месторождения.

Рис. 1. Способы разделения руды и породы на стадии очистной выемки

154

Возможности замкнутого цикла обращения твёрдого вещества литосферы определяются характером его использования и принятой технологией разработки месторождений. В процессе освоения недр извлекаемое вещество делится на три параллельных потока:

• полезное ископаемое, поступающее на первичную переработку;

• сопутствующие пустые породы, складируемые на земной поверхности;

• тонкодисперсная пыль, выдаваемая вентиляционной струёй в атмосферу.

При разработке жильных месторождений золота практически весь объём (более 97 %) извлечённой из недр горной массы остаётся на поверхности в пределах земельного отвода добывающего предприятия в виде отвалов пустых пород и соскладированных хвостов обогащения. Поэтому экологические последствия от этих двух техногенных факторов локализованы в непосредственной близости от промплощадок горных предприятий и заключаются в полном уничтожении первичной биоты на площадях, занятых под хранение этих твёрдых отходов. Только пылевые выбросы депонируются в природных экосистемах на значительном удалении от горных предприятий, и поэтому от возможности создания замкнутого цикла их обращения зависит экологическое благополучие биоты не только в пределах земельного отвода, но и далеко за его пределами.

Общий усреднённый баланс твёрдого вещества литосферы на типовом золотодобывающем горно-обогатительном предприятии показан на рис. 2.

Реальные перспективы геотехнологии с замкнутым циклом обращения твёрдого вещества хвостов обогащения появляются только при разработке месторождений в криолитозоне, когда её температурный ресурс может быть использован для замораживания подаваемого в подземное пространство материала и восстановления, таким образом, массива вечной мерзлоты, нарушенного горными работами при извлечении полезного ископаемого.

При освоении месторождений, расположенных в криолитозоне России, абсолютная «.безопасность отходов для окружающей среды...» может быть достигнута путём использование

Рис. 2. Усреднённый баланс твёрдого вещества горно-обогати-тельного производства на жильных месторождениях золота

температурного ресурса криолитозоны для восстановления нарушенного добычными работами массива вечной мерзлоты из отходов горно-обогатительного производства [6]. Главная особенность строения и формирования криолитозоны заключается в том, что температура пород ниже зоны летнего протаивания соответствует величине среднегодовой температуры воздуха. Глубина распространения этой зоны определяется в каждом случае величиной температурного градиента [7]. Таким образом, естественный температурный ресурс, который может быть использован для воссоздания в выработанном пространстве массива вечной мерзлоты, включает в себя две составляющие - климатическую и геологическую, каждая из которых изменяется по собственным законам и оказывает различное влияние на выбор технологических решений.

Климатический температурный ресурс существенно изменяется во времени по максимуму от +30 °С до -60 °С, а по средним величинам от +16 °С до -45 °С (рис. 3). Температурный ресурс массива горных пород (геологический температурный ресурс) на обрабатываемых участках месторождения постоянен и отрицателен (^п=-12 °С). Поэтому общий температурный ресурс существенно смещается в зону отрицательных температур с сохранением, тем не менее, трех-четырех месячного периода с преобладанием положительных температур (рис. 4).

°с 40 -і 30 20 Н 10 0 -10 -20 -30 н -40 -50 Н -60 -70 -1

август

сентябрь

апрель

октябрь

март

ноябрь

январЬфевРаль декабрь

Рис. 3. Температурный режим в районе Кючусского месторождения

10

о

-10

-20

-ЗО

-40

-50

-60

Время, мес.

Рис. 4. Характер изменения во времени температурного ресурса:

1 - климатического; 2 - геологического (массива горных пород); 3 - общего

Это означает, что в общей структуре геотехнологии воссоздания массива вечной мерзлоты из отходов обогатительного предела целесообразно иметь два этапа, отличающихся характером использования температурного ресурса: использование температурного ресурса массива горных пород совместно с климатическим (назовём его «зимним»); использование только температурного ресурса массива горных пород (назовём его «летним»).

Продолжительность этих этапов принимаем соответственно 8 и 4 месяца (рис. 4). В целом, технология воссоздания массива вечной мерзлоты в выработанном пространстве подземного рудника, включает в себя три основных процесса: подготовку отходов обогащения; транспортирование подготовленных отходов; формирование закладочного массива и его последующее замораживание.

Внутренняя структура каждого из этих технологических процессов определяется характером изменения во времени температурного ресурса. На зимнем этапе воссоздания массива вечной мерзлоты подготовка хвостов обогащения заключается, прежде всего, в отделении избытка воды. Для этого, учитывая относительно небольшие объемы добычи и переработки руды, целесообразно использовать высокопроизводительные пресс-фильтры. Полученные кеки брикетируются с помощью вальцового пресса с образова-

ние брикетов, которые в зимний период поступают на замораживание.

Для транспортирования замороженных брикетов в подземное пространство рудника используется оборудование, применяемое для выдачи добытой руды и доставки её к бункерам фабрики. Брикеты разгружаются в выработанное пространство очистных блоков через окна в подштрековых целиках.

Как было показано выше, на летнем этапе рассматриваемого процесса может быть задействован только геологический температурный ресурс. Поэтому, получаемые в этот период хвосты обогащения перекачиваются в подземное пространство и заполняют все пустоты насыпного массива из замороженных брикетов, созданного в выработанном пространстве очистных блоков в зимний период. Плотность пульпы, при этом, определяется условиями и требованиями процесса кольматации пустот в насыпном массиве. Полностью заполненные блоки замораживаются за счет геологического температурного ресурса и частичным использованием климатического температурного ресурса, привнесенного в подземное пространство с брикетами, охлажденными в период замерзания до среднемесячных температур соответствующего периода.

В состав общей технологической схемы возврата твёрдых отходов обогащения в подземное пространство путём воссоздания в нем массива вечной мерзлоты входят три обязательных технологических процесса, выполняемых последовательно друг за другом: подготовка твёрдых отходов обогащения на поверхности; транспортирование подготовленных отходов под землю; размещение отходов в выработанном пространстве.

Последовательность выполнения этих процессов остается постоянной в течение всего года, а состав и характер составляющих их операций зависит от используемого типа температурного ресурса. Необходимо иметь, исходя из сезонности его изменения, по крайней мере, две модификации каждого из вышеперечисленных процессов:

• зимнюю - основанную на прямом использовании климатического температурного ресурса (ТК) и опосредованном использовании ресурса геологического;

• летнюю - основанную на прямом использовании геологического температурного ресурса (ТГ) и опосредованном использовании ресурса климатического.

В общем виде замкнутый цикл обращения твёрдых отходов будет обеспечен, если объёмы добычи руды в периоды использования геологического и климатического температурных ресурсов находились бы в соотношении:

!ГМ Г = LК М К

(1 + Квл.б)(1 - Кз)

(1 + Квл.п)Кз

где ЬГ, ЬК, МГ и МК - соответственно длина жил и их выемочная мощность на участках, отработанных за периоды Тк и ТГ; Квлб и Квл.п - соответственно коэффициент влажности брикетов и пульпы; Кз - коэффициент заполнения выработанного пространства.

Как видно из этого выражения, главную роль в определении соотношения между объёмами добычи руды в различные периоды, играют количество воды в составе отходов обогащения, поступающих в выработанное пространство, и коэффициент заполнения этого пространства замороженными закладочными брикетами. Продолжительность использования основных видов температурного ресурса (ТГ и ТК) в этом выражении участвует в определении величин ЬГ и ЬК. Выполнение этих требований является дополнительным параметром, который необходимо учитывать при выборе технологии и разработки и графика ведения очистной выемки.

Процесс восстановления массива вечной мерзлоты в выработанном пространстве протекает при использовании геологического температурного ресурса вечномерзлых пород, имеющих постоянную температуру. При этом необходимо выделить три основных этапа:

• заполнение выработанного пространства замороженными брикетами;

• заполнение пустот сформированного насыпного массива пульпой;

• замерзание двухфазного массива.

Продолжительность первого этапа равна числу месяцев со средней температурой воздуха ниже, чем критическая по условиям замерзания брикетов. Остальное время занимает второй этап процесса. Третий этап не связан с температурой внешнего воздуха. Его продолжительность прямо пропорциональна температуре вечномерзлых пород.

Рис. 5. Схема теплообмена между массивом вмещающих пород и насыпным массивом из замороженных закладочных блоков: 1 - график изменения температуры вмещающих пород (Гп) в период уравнивания температур (Ту)

При заполнении выработанного пространства замороженными брикетами, имеющими температуру наружного воздуха, геологический температурный ресурс, соответствующий постоянной температуре вмещающих пород, существенно дополняется опосредованным использованием ресурса климатического в виде переохлажденных, по сравнению с вмещающими породами, закладочных брикетов. Интенсивность передачи энергии от брикетов в массив горных пород регулируется величиной коэффициента теплопере-носа в системе брикеты - порода.

При выравнивании температур насыпного массива и вмещающих пород сначала температуры вмещающих пород будет понижаться до величины ^:

/ k

--г, град.

где kт и kб - соответственно удельные показатели теплопроводности пород и теплообмена на границе брикет - порода (рис. 5).

Рис. 6. Зависимость времени выравнивания температуры в блоке (ТУ) от температуры брикетов и выемочной мощности (М): 1 - при М=1 м; 2 - при М=2 м; 3 - при М=3,5 м

Затем температура массива вмещающих пород и закладочного массива будет повышаться до величины естественной температуры вечномерзлых пород. Время, в течение которого произойдет выравнивание температуры насыпного массива из замороженных брикетов и массива вмещающих пород (ТУ), с точки зрения использования температурного ресурса, можно считать периодом совместного использования ресурса геологического и климатического, если в течение этого периода заполнить заложенные брикетами блоки пульпой из частично обезвоженных хвостов обогащения.

Продолжительность периода ТУ зависит от температуры наружного воздуха во время замораживания брикетов, а также от выемочной мощности в закладываемых блоках (рис. 6) и определяется из выражения:

= ОбШзГб (<б - К), сек.

У 2^

где об - удельная теплоёмкость материала брикета, уб - объёмный вес материала брикетов.

Все криогенные процессы, протекающие в выработанном пространстве за пределами периода времени выравнивания температур происходят только за счет реализации геологического температурного ресурса.

Продолжительность третьего этапа восстановления массива вечной мерзлоты определяется температурой вечномерзлых пород и выемочной мощностью. Вполне очевидно, что это время не имеет

Ту, мес.

1В, С М

о

1

2

3

4

никакого значения для выбора каких-либо технологических параметров. Оно определяет, тем не менее, момент начала выемки временных рудных целиков подштрековых, надштрековых и между-блоковых, оставленных при отработке того или иного участка месторождения.

При организации замкнутого цикла обращения этого вида твердых отходов прямой экологический эффект выражается в виде предотвращения полного уничтожения биоты на площади, величина которой определяется условиями складирования и зависит главным образом от высоты плотины хвостохранилища и углов наклон бортов долины.

--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ICMM Principles for sustainable development performance // International Council on Mining & Metals (ICMM), 2003: http:// www.icmm.com/publications/ ICMM_Principles_en.pdf.

2. Основные положения политики экологической и социальной ответственности горнодобывающих компаний: http: // www.wwf.ru/data/programmes

/mining/osnovnepologeniy_red_7iuny.doc.

3. Трубецкой К.Н., Галченко Ю.П., Бурцев Л.И. Экологические проблемы освоения недр при устойчивом развитии природы и общества. - М.: Научтехлит-издат, 2003. - 260 с.

4. Назарчик А.Ф. Разубоживание руды при разработке жильных месторождений. - М.: Наука, 1960. - 270 с.

5. Михайлов Ю.В., Емельянов В.И., Галченко Ю.П. Подземная разработка месторождений полезных ископаемых в экосистемах криолитозоны. - М.: Изд.-во МГОУ, 2004. - 192 с.

6. Галченко Ю.П., Сабянин Г.В., Пьянников П.В. Способ подземной разработки рудных месторождений в криолитозоне. Заявка № 2007125417; Приоритет 06.07.2007.

7. Васильчук Ю.К., Котляков В.М. Основы геокриологии и гляциологии. М.: Изд-во МГУ; 2000. - 616 с. ЕШ

— Коротко об авторах ---------------------------------------------------

Гтченко Ю.П. - доктор технических паук, ведущий научный сотрудник,

С«6яшн Г.В. - кандидат технических паук, старший научный сотрудник,

Институт проблем комплексного освоения недр РАН, г. Москва.

E-mail: [email protected]