CC BY
31
НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АЛМАЗОДОБЫВАЮЩЕЙ ОТРАСЛИ
/
Игорь Владимирович Зырянов,
доктор технических наук, заместитель директора по научной работе института «Якутнипроалмаз» АК «АЛРОСА» (ПАО), лауреат Премии Правительства РФ
Иван Фёдорович Бондаренко,
кандидат технических наук, учёный секретарь института «Якутнипроалмаз» АК «АЛРОСА» (ПАО), лауреат Премии Правительства РФ
Институт «Якутнипроалмаз», отметивший в текущем году своё 55-летие, осуществляет научное сопровождение основного производства АК «АЛРОСА» и проектирование всех объектов компании. В состав научной части института входят комплексные отделы, лаборатории открытых и подземных горных работ, обогащения, экологических проблем и охраны окружающей среды, экономических исследований и обоснований, ряд профильных подразделений. Также в институте имеются лаборатория интеллектуальной собственности, способствующая выполнению инновационных проектов и осуществляющая функции патентного отдела, отдел информации, научно-техническая библиотека, отдел выпуска научно-технической и проектной документации. Основными сферами приложения инновационных услуг являются открытые и подземные горные работы, обогащение полезных ископаемых, автоматизация производства, информационные технологии и экология.
Направленность научно-исследовательских работ в сфере добычи и переработки кимберлитов на ближайшую перспективу всецело определяется изменениями сырьевой базы АК «АЛРОСА», обусловленными переходом на подземный способ отработки основных месторождений, снижением объёмов переработки, вовлечением в отработку бедных руд, а также запасов удалённых и мелких алмазоносных месторождений. По этим причинам к технологическим схемам обогащения алмазосодержащего сырья предъявляются повышенные требования как по полноте извлечения полезного компонента, сохранности и повышению природного качества кристаллов, так и по снижению затрат на их переработку.
К существенным достижениям института можно отнести решение проблемы разработки кристаллосбе-
И. В. Зырянов, И. Ф. Бондаренко
регающих технологий при добыче и переработке алмазов. Внедрение данной разработки позволило получать экономический эффект, который, по различным оценкам, составляет около 7 млн долларов США на 1% прироста сохранности алмазов.
Открытые горные работы
Значительные многоплановые исследования были направлены на решение технических и технологических задач в области вскрытия и разработки открытым способом ким-берлитовых трубок. Это объясняется сложными природно-географи-ческими условиями расположения месторождений, а также высокой скоростью ведения горных работ В значительной мере этому способствовало применение на алмазодобывающих карьерах высокопроизводительного горного оборудования, технико-экономические параметры которого, с учётом геомеханической устойчивости и технологических особенностей, были заложены специалистами института в проекты отработки карьеров.
В последние годы перед АК «АЛРОСА» встали новые важные задачи, связанные с разработкой месторождений подземным способом, добычей и переработкой бедных руд и разработкой удалённых месторождений. В связи с этим крайне важной становится роль института как головной научной организации, способной найти ответы на новые технологические вызовы. В первую очередь, это относится к исследованиям, направленным на совершенствование производства открытых горных работ. В ходе их выполнения сотрудниками института были предложены технологии прогрессивных конструкций высоких нерабочих уступов полигонального профиля с максимальным использованием естественной несущей способности горного массива, технологии вскрытия карьеров
трассами крутого уклона, поэтапной отработки карьеров. Они основаны на новых идеях разделения карьерного пространства на ряд автономных участков, сухой консервации карьеров, освоения алмазоносных россыпей с первичной концентрацией песков.
Необходимость вовлечения в разработку нижележащих запасов отрабатываемых месторождений и запасов беднотоварных месторождений потребовали радикального усовершенствования технологии добычи. Так, рабочая зона действующих алмазорудных карьеров переместилась на более глубокие горизонты, изменились её высота и конфигурация горных работ, а текущий коэффициент вскрыши увеличился до 3,88 м3/т. Открытые горные работы проводятся уже на глубине 640 м. Проектная глубина одного из карьеров составляет 720 м, перспективная - 750 - 780 м. На одном из месторождений рассматривается вариант разработки месторождения открытым способом до глубины 1030 м (рис. 1).
Рис. 1. Динамика изменения параметров алмазорудных карьеров
Удельный вес открытого способа разработки кимбер-литовых месторождений в Западной Якутии имеет тенденцию к некоторому снижению, однако в перспективе открытым способом по-прежнему будет добываться не менее 70% от общего объёма добываемой руды (рис. 2).
Коренные месторождения алмазов Якутии создают уникальные по своей сложности условия ведения горных работ, осложнённых большой глубиной разработки, криогенностью горного массива, наличием мощных высоконапорных водоносных горизонтов, большими газовыделениями и т.д. Для увеличения экономической эффективности разработки карьеров потребовалось использование предельных параметров устойчивых бортов и уступов и разработка продольных уклонов транспортных съездов, в том числе с применением систем дистанционного управления горнотранспортным комплексом. Это позволило уменьшить объём вскрыши (на карьере «Удачный» на 20 млн м3, на карьере «Бо-туобинский» - на 42 млн м3), снизить себестоимость добычи и обеспечить требуемый уровень безопасности ведения горных работ (рис. 3).
а
Рис. 3. Постановка борта карьера «Юбилейный» с максимально допустимыми углами погашения:
а - фрагмент промежуточного контура карьера со схемой вскрытия; б - участок предельного борта карьера, отстроенного 45-метровыми нерабочими уступами под углом 80°
Разработаны также теоретические основы и методика прогнозирования контуров кимберлитовых тел на более глубокие горизонты на основе вертикальной и горизонтальной изменчивости и морфологии рудного тела. Прогнозирование контуров рудного тела приобретает особенно важное значение при проектировании
Рис. 2. Соотношение запасов по способам отработки
карьеров на глубину, недостаточно изученную разведочными скважинами.
Подземные горные работы
В связи с завершением эффективной добычи открытым способом на основных месторождениях АК «АЛРОСА» осуществляется переход на подземный способ отработки, что связано с существенным усложнением горно-геологических условий ведения горных работ и технологий выемки полезного ископаемого. По причине сложной газовой и гидрогеологической обстановки, оказывающей значительное влияние на разработку кимберлитовых месторождений, особое внимание обращается на исследования, обеспечивающие безопасную добычу.
Для обоснования оптимальных решений по вскрытию месторождений, ведения горно-подготовительных и очистных работ, в полной мере используется опыт первого подземного алмазодобывающего рудника компании «АЛРОСА» на месторождении трубки «Интернациональная». В настоящее время подземная добыча ведётся на рудниках «Интернациональный», «Мир», «Удачный» и «Айхал» при отрицательных и низких положительных температурах пород (нулевая изотерма проходит на глубине 700 - 1100 м), наличии на большинстве месторождений мощных подземных высоконапорных водоносных горизонтов с минерализацией до 460 г/л и нижележащих растворимых галогенных пород, слагающих вмещающие породы и пронизывающих кимберлитовые тела трубок. По площади и глубине на месторождениях неравномерно распространены неф-тепроявления и газонасыщенные рассолы.
Выбор параметров геотехнологии подземной отработки кимберлитовых трубок с комбайновой выемкой и закладкой выработанного пространства основывается на последовательной оценке базовых типов технологических схем, выполняемой с учётом горно-геологических условий, горно-технических факторов и организационно-технологических ограничений и направленной на обеспечение наибольшей производительности комбайнового комплекса, безопасности ведения горных работ и достижение требуемых технико-экономических показателей.
Особое внимание уделяется вопросам сохранности полезного ископаемого на горнодобычном и обогатительном этапах. В первом случае доказана целесообразность применения комбайновых комплексов и обоснованы требования к их основным конструктивным элементам. В рамках второго аспекта исследована возможность безмельничного обогащения руды после комбайновой выемки, где получены перспективные результаты по сохранности кристаллов.
Основным преимуществом применения комбайновой выемки при разработке кимберлитов с высоким содержанием алмазов является повышение стоимости товарной продукции за счёт снижения уровня техногенной повреждаемости кристаллов (рис. 4). Для обеспечения максимальной сохранности кристаллов были проведены теоретические исследования по оптимизации
параметров и режимов резания кимберлита, на основании которых изменена форма резцов и оптимизированы усилия подачи и скорость вращения исполнительного органа комбайна.
Для подземных рудников были разработаны и согласованы в Ростехнадзоре «Специальные мероприятия газового режима при ведении горных работ в условиях нефтегазопроявлений», в которые по мере накопления новых данных, изменении условий отработки месторождения, вносятся дополнения. Для рудника «Айхал» выполнено методическое обоснование и проведены опытно-промышленные испытания в условиях юго-западного рудного тела камерной системы разработки. Кроме того, выполнен комплекс работ по гидро-геомеханическому мониторингу за состоянием предохранительного рудного целика, оставленного под дном отработанных карьеров «Айхал» и «Мир».
Обогатительные технологии
Обогащение - важнейший этап горно-обогатительного комплекса, требующий применения технологий высокого технического уровня. От его производственного потенциала во многом зависит уровень добычи и качество продукции.
Традиционные технологии обогащения на эксплуатируемых фабриках АК «АЛРОСА» базируются на типовой принципиальной технологической схеме, которая отличается от зарубежных схем обогащения алмазосодержащих руд использованием в процессах рудоподготовки мельниц мокрого самоизмельчения и обогащением крупных классов исходного сырья методом «мокрой» рентгенолюминесцентной сепарации, обогащением мелких классов сырья на пневмофло-тационных машинах высокой единичной производительности. В настоящее время проводятся работы по развитию перспективных направлений, связанных с применением рентгенографической сепарации, метода меченых нейтронов, двухэнергетической рентгеновской абсорбции с использованием электромагнитных квантов высокой энергии, методов сохранного измельчения
Рис. 4. Характерный гранулометрический состав горной массы, отбитой комбайном
концентратов предварительного обогащения, способов эффективной добычи мелких классов.
Основным процессом обогащения алмазосодержащих руд является рентгенолюминесцентная сепарация, использующая свойство алмазов люминесци-ровать под действием рентгеновского излучения. При этом определённая часть алмазов обладает недостаточной или не характерной для большинства алмазов люминесценцией. Такие кристаллы не могут быть извлечены рентгенолюминесцентными методами без резкого снижения эффективности обогатительного процесса. Добыча их осуществляется на классе крупности -6 мм липкостной сепарацией, а на классе +6 мм доиз-влечение алмазов не производится. Кристаллы, добытые этим методом, имеют различные морфологические типы и разновидности, в том числе и высокосортные. Для извлечения нелюминесцирующих алмазов в потоке руды был выбран метод рентгеновской абсорбции, основанный на сравнении поглощения рентгеновского излучения алмазами и сопутствующими минералами. Рентгеноабсорбционный метод не имеет методических потерь, поскольку коэффициент линейного поглощения рентгеновского излучения минералов напрямую зависит от атомного номера элементов, входящих в состав минералов. Алмаз состоит из углерода, имеющего наименьший линейный коэффициент поглощения среди сопутствующих минералов. На основе этого метода разработаны и изготовлены опытные образцы ренгеногра-фического сепаратора (РГС с индексами 1 и 2) для обогащения сухих алмазосодержащих концентратов класса крупности -6+3 мм (рис. 5). Проведённые технологические испытания показали высокую эффективность метода двухэнергетической рентгеновской абсорбции при обогащении исходного материала для липкостной сепарации. При этом показатели извлечения продукции составили порядка 98 - 100%.
С момента создания первого аппарата рент-генолюминесцентной сепарации они непрерывно совершенствовались и прошли стадии развития от простейших механизмов, управляемых человеком, до полностью автоматизированных систем. Достигнутые результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ позволили увеличить извлечение алмазов из руды примерно с 80 до 99%. Производительность современных сепараторов может достигать 100 т/ч, сокращение материала - в 100 раз и более, при этом численность обслуживающего персонала уменьшилась.
Экономика и экология
Значительный объём работ тесно связан с основными целями компании - концепцией энергосбережения и энергоэффективности. При этом формирование концепции и программы энергосбережения осуществляется специалистами «Якутнипроалмаза». Институт выполняет большой объём работ и по оценке минерально-сырьевой базы алмазов Российской Федерации. Кроме того, производится мониторинг мировой алмазодобывающей промышленности и мирового
алмазно-бриллиантового рынка, что находит отражение в соответствующих разделах планов и программ развития компании «АЛРОСА» на ближне-, средне- и отдалённую перспективы, а также в технико-экономических обоснованиях разведочных и эксплуатационных кондиций для подсчёта запасов в коренных и россыпных месторождениях алмазов. Экономическая тематика исследований наших специалистов также связана с диагностикой технических решений и технико-экономическим обоснованием эффективности инвестиционных вложений в создание новых и реконструкцию действующих промышленных объектов.
Особое внимание институт «Якутнипроалмаз» уделяет охране окружающей среды в зоне производственной деятельности АК «АЛРОСА». С 1996 г., например, освоена разработка природоохранных проектов с оценкой влияния на окружающую среду и охрану атмосферного воздуха. Реализация данных проектов позволила компании оптимизировать платежи за воздействие алмазодобывающих предприятий на хрупкую природу Севера, своевременно предотвращать и устранять их негативное воздействие, с экологической позиции обосновывать места размещения промышленных объектов. Данное направление представлено лабораторией анализа состояния окружающей среды, которая имеет аттестат аккредитации и занесена в Государственный реестр. В соответствии с полученным аттестатом лаборатория выполняет комплекс работ, в состав которых входит экологический мониторинг за состоянием водных
Рис 5. Опытно-промышленный образец рентгенографического сепаратора для обогащения сухих алмазосодержащих концентратов класса -6+3 мм
объектов, определение загрязнённости атмосферного воздуха, осуществление производственного контроля за дымовыми газами котельных, разработка экологической проектной документации.
Кадры, публикации, изобретения
Важной составляющей деятельности института является подготовка научных кадров высшей квалификации (кандидатов и докторов наук). Если в начальный период становления института превалировали проектные работы и использование известных технических решений, то по мере развития новой отрасли и накопления опыта возрастала необходимость в проведении исследований, экспериментов, испытаний как для решения возникающих проблем, так и для реализации инновационных идей. Постановка и проведение исследований, создание новых технологий, их доводка до требуемых параметров и освоение, анализ наблюдений и результатов испытаний послужили практической основой для диссертационных работ, которые, в свою очередь, генерировали появление новых идей и способствовали технологическому развитию компании. При этом научно обоснованные технико-технологические решения по разработке кимберлитовых месторождений представлены в 20 диссертациях, в том числе: в области обогащения алмазоносного сырья - 15, связанных с изучением минерально-сырьевой базы с применением ГИС-технологий - 5. Защищены 6 докторских и 34 кандидатских диссертации, авторами которых являются: доктора наук Н. К. Звонарев, М. И. Зло-бин, И. В. Зырянов, Н. П. Крамсков, А. Н. Монтянова, З. В. Специус; кандидаты наук А. Н. Акишев, И. А. Александров, И. Ф. Бондаренко, А. А. Бохан, А. Н. Волков,
A. Т. Ведин, В. Н. Изенев, В. Ф. Колганов, В. Я. Коно-валенко, А. Б. Лейтес, Е. А. Потапова, Д. П. Рыбаков,
B. А. Смольников, М. А. Файнблит, Е. М. Шлюфман и др.
Из анализа публикаций трудов в открытой печати следует, что все они отражают направления проводимых институтом «Якутнипроалмаз» исследований. Особую значимость представляют научные труды,
Рис 6. Рабочие моменты представления и обсуждения научных докладов сотрудников института на международной научно-практической конференции «Проблемы и пути эффективной отработки алмазоносных месторождений» (г. Мирный, 2011 г.)
опубликованные в 44 монографиях. Основные положения и результаты исследований авторов монографий прошли апробацию в научной периодической печати, обсуждены на конференциях и симпозиумах (рис. 6), подтверждены полученными патентами и экономическими расчётами. Актуальность приведённых в публикациях результатов подтверждается их высокой цити-руемостью и спросом на данную научно-техническую литературу. Сотрудники института являются также авторами ряда изобретений, общее количество которых с момента создания треста «Якуталмаз» составило 484.
В настоящее время институт «Якутнипроалмаз» представляет собой современное и единственное в стране комплексное научно-исследовательское и проектное предприятие, способное выполнять полный комплекс научных исследований и проектных работ по созданию высокотехнологичных горно-обогатительных предприятий с развитой инфраструктурой при добыче алмазной продукции в любых природно-климатических условиях.
НАШИ ПОЗДРАВЛЕНИЯ
Распоряжением Правительства Российской Федерации от 28 октября 2015 г. присуждена Премия Правительства Российской Федерации в области науки и техники за создание и широкомасштабное промышленное внедрение систем подземной разработки алмазных месторождений в экстремальных условиях криолитозо-ны Якутии коллективу авторов: А. С. Чаадаев (руководитель), И. Ф. Бондаренко, Г. Н. Гензель, И. В. Зырянов, А. И. Кисиличин, А. Н. Монтянова, П. Г. Пацкевич, А. В. Письменный, А. П. Филатов, А. Н. Черепнов.
От имени коллектива редакции и читателей научно-популярного журнала «Наука и техника в Якутии» поздравляем лауреатов премии с высокой правительственной наградой.
