CC BY
47
- © К.Н. Трубецкой, Д.Р. Каплунов,
С.Д. Викторов, М.В. Рыльникова, Д.Н. Радченко, 2014
УДК 622.34:553
К.Н. Трубецкой, Д.Р. Каплунов, С.Д. Викторов, М.В. Рыльникова, Д.Н. Радченко
НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ КОМПЛЕКСНОГО РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕГО ОСВОЕНИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ СТРАТЕГИЧЕСКОГО МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ*
Стратегической задачей государственного значения является создание фундаментального базиса и скорейшего внедрения новых геотехнологий добычи стратегического минерального сырья, в том числе, сосредоточенного в бедных рудопро-явлениях, на больших глубинах, в складированных отходах горно-перерабатыва-ющего производства. Согласно выполненным исследованиям, в технологическую схему добычи руды включаются технологические процессы первичного рудничного обогащения руд различными методами сепарации, приготовления твердеющих закладочных смесей на передвижных подземных закладочных комплексах с использованием пород от проходки горных выработок и отходов сепарации руд. Включение в проект разработки месторождений технологий активной утилизации некондиционного сырья позволяет экономить природное минеральное сырье за счет использования техногенного, получать дополнительную товарную продукцию, сократить площади, отчуждаемые под различного рода хранилища земель, улучшить экологическую обстановку в регионе добычи.
Ключевые слова: ресурсосбережение, месторождения, комплексное освоение, стратегическое минеральное сырье, комбинированная геотехнология, добыча, утилизация отходов, проектирование, модернизация.
Актуальность выполнения исследований в области создания новых и совершенствования известных технологий комплексного ресурсосберегающего освоения месторождений стратегического минерального сырья связана с назревшей необходимостью модернизации минерально-сырьевого комплекса Российской Федерации, являющегося базисом экономики страны, как в настоящее время, так и на многие годы в будущем. Общепризнано, что сырьевая направленность экономики России приведет к неизбежному истощению отечественных недр
при существующих темпах добычи и экспорта полезных ископаемых органического и неорганического происхождения. Покрытие выбывающих мощностей за счет открытия и разработки новых крупных богатых месторождений маловероятно.
Важнейшей стратегической задачей государственного значения является создание фундаментального базиса и скорейшего внедрения новых геотехнологий добычи стратегического минерального сырья, в том числе, сосредоточенного в бедных рудопроявлениях, на больших глуби-
* Статья написана по результатам выполнения проекта Программы Президиума РАН «Фундаментальный базис инновационных технологий прогноза, оценки, добычи и глубокой комплексной переработки стратегического минерального сырья, необходимого для модернизации экономики России» за 2012 - 2013 гг.
смеситель;
Рис. 1. Подземный передвижной закладочный комплекс модульного типа: 1 - ПДМ; 2 - бункер-дозатор; 3 - питатель; 4 - виброщековая дробилка; 5 - рама модуля I стадии дезинтеграции; 6 - породоспуск; 7 - питатель; 8 - конусная инерционная дробилка; 9 ■ 10 - закладочная скважина
нах, складированных отходах горно-перерабатывающей отрасли. Реализация этой задачи возможна только при развитии инновационного подхода, охватывающего все стадии создания новых технологий - от фундаментальных исследований, являющихся базисом дальнейшего развития любых технологий, до их внедрения на горных предприятиях страны с получением экономического эффекта.
В современных условиях комплексное освоение недр предусматривает наличие двух неотъемлемых условий - безотходное или малоотходное использование всех вовлекаемых в ходе освоения участка недр георесурсов и извлечение их рациональным сочетанием технологических про-
цессов и оборудования, то есть в ходе реализации комбинированных геотехнологий. Причем одно без другого либо невозможно, либо явно неэффективно.
Направления развития инновационных геотехнологий предусматривают реализацию следующих ресур-совоспроизводящих функций: изменение условий залегания минеральных образований; изменение качества вовлекаемого в разработку минерального сырья; управление параметрами и сроками формирования техногенных образований для своевременного вовлечения их в эффективную эксплуатацию и изменение состояния выработанного пространства, управление отходами горно-обогатительного производства с минимизацией, либо исключением складирования их на поверхности. Разработанные в ходе выполнения исследований горнотехнические системы реализуют указанные принципы. Определено, что эффективное ресурсосбережение достигается путем расширения перечня технологических процессов и изменения схем механизации, конструктивного исполнения основного технологического оборудования.
Например, в технологическую схему добычи руды включаются технологические процессы первичного рудничного обогащения руд различными методами сепарации, приготовления твердеющих закладочных смесей на основе пород от проходки горных выработок и отходов сепарации руд на передвижных подземных закладочных комплексах (рис. 1).
В связи с разработкой нового комплекса оборудования для производства закладочной смеси и ресурсосберегающей технологии на его основе, доказана возможность утилизации отходов (пород от проходки горных выработок) в качестве компонента закладочной смеси без выдачи их на поверхность. Доказано, что использование данной технологии позволяет сформировать замкнутую схему минерально-сырьевых потоков на горном предприятии, обеспечивая, тем самым, возможность реализации полного цикла комплексного освоения месторождения.
Для установления закономерностей геотехнологических процессов освоения месторождений ценных руд, создана расчетная модель, позволяющая оценить влияние горно-геологических и горнотехнических условий разработки на параметры систем разработки с твердеющей закладкой выработанного пространства при применении подземных передвижных закладочных комплексов.
Пример расчета параметров функционирования закладочного комплекса в зависимости от площади сечения подготовительно-нарезных выработок и мощности рудного тела представлен на рис. 2.
Многочисленными исследованиями доказано, что необходимость расширения геотехнологического цикла при комплексном освоении недр обусловлена, прежде всего, включением процессов, обеспечивающих наиболее полное использование качества природного и техногенного минерального сырья при сокращении объемов складирования отходов на поверхности Земли.
В этой связи при обосновании технологий комплексного ресурсосберегающего освоения месторождений стратегического минерального сырья значительное внимание уделяется обоснованию требований к технологиям активной утилизации некондиционного сырья и формированию на его основе техногенных образований. Для этого поставлена и решена задача
3,6
е 3
? 3 3,2
§1 3
3 г,а
1 " г-6
™ | 2,4
Ь I 7,7
|§ =
¥ Я 1,8
10 § ^
0 О 1 т
2 о. ^ ^ 8 1
1 3 о,в ■5 " 0,6 И ^ 0,4 § 2 0,2
О
J
Г.,''. ЗНаГ1-"»
1 I:2 -г
2\
—
%
—
ч ■ш
1
1 1. -А ---- ■ «
У = 3, ** 302 ье*®1 997 Г-1 ■ •.. г-А— ЕЯ ВЙ
1 2 3 4 Б 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 • Площадь поперечного сечения 9мг Мощнопь РУД" о го тела, м
1 ......... Степенная [Площадь поперечного сечения вм1)
л Площадь, поперечного сечения 16м1
2 .........Степей нал I Площадь поперечного сечения 16М1)
Рис. 2. Зависимость коэффициента обеспеченности закладочного комплекса породным заполнителем от мощности рудного тела при ведении подготовительно-нарезных работ выработками сечением 9 и 16 м2
установления закономерностей геотехнологических процессов, обеспечивающих вовлечение сырья техногенных образований в эффективную эксплуатацию с извлечением цветных, редких и редкоземельных металлов.
Показано, что развитие идей комплексного освоения недр в современных условиях должно быть направлено, прежде всего, на обоснование, разработку и внедрение в практику проектирования горных предприятий технологий управляемого обращения с отходами добычи и переработки руд. Такие технологии должны предусматривать активную утилизацию некондиционного сырья - своевременное формирование техногенных месторождений, переработку сырья и складирование отходов в выработанных пространствах карьеров и шахт. Технологические свойства некондиционного сырья определяют требования к технологии их активной утилизации и к формируемым техногенным массивам. В ходе выполнения исследований показано, что складирование отходов может и должно быть управляемым геотехнологическим процессом. При этом отходам горного и обогатительного производства и сформированным из них техногенным массивам необходимо придавать определенные технологические характеристики, которые обеспечивают возможность последующей эффективной эксплуатации сформированного техногенного месторождения. Требуемые технологические характеристики отходов обосновываются с учетом установленных закономерностей формирования технологических свойств техногенного сырья, как в процессе его складирования и хранения, так и при эксплуатации сформированного техногенного месторождения.
Обоснование параметров технологий формирования и эксплуатации техногенных образований при актив-
ной утилизации техногенного сырья следует производить на начальной стадии проектирования полного цикла комплексного освоения рудных месторождений. Включение в проект технологий активной утилизации некондиционного сырья позволяет экономить природное минеральное сырье за счет использования техногенного, получать дополнительную товарную продукцию, сократить площади отчуждаемых под различного рода хранилища земель, улучшить экологическую обстановку в регионе добычи.
Учет при проектировании возможности маневрирования объемами вовлекаемых в эксплуатацию природных и техногенных георесурсов в полном цикле позволяет получать тот же (требуемый) уровень экономической эффективности при более низких темпах добычи балансовых запасов.
В ходе обоснования принципов модернизации комбинированных геотехнологий, применяемых на рудных месторождениях и угольных разрезах необходимо базироваться на современных достижениях в области техники и технологии разработки месторождений твердых полезных ископаемых.
Например, в ходе обоснования принципов модернизации технологий очистных работ на угольных шахтах, разработаны новые оборудование и технология, позволяющие контролировать геомеханическое состояние угольного пласта с целью предупреждения геодинамических проявлений с помощью заблаговременного планирования оптимальных режимов работы горношахтного оборудования на смену. Контроль геомеханического состояния производится по данным регистрации геоэнергии массива для различных технологий ведения горных работ с учетом неравнокомпо-нентного напряженного состояния призабойной зоны массива.
Обоснованы принципы модернизации комбинированной геотехнологии для раскрытия их потенциала в части буровзрывных работ. Определено, что при определении параметров технологического процесса дробления горных пород при крупномасштабном взрывном разрушении массивов сложной структуры с селективной выемкой полезных ископаемых должны учитываться:
• закономерности изменения параметров отбойки при изменении условий зажима для получения заданной степени дробления рудной массы;
• закономерности направленного уменьшения разрушающего действия взрыва в соответствии с морфологи-
ческими особенностями рудного тела для снижения потерь и разубожива-ния руды;
• закономерности буферного многорядного взрывания при взрывании первым второго и последующих рядов скважин с целью сохранения геологической структуры массива.
Для месторождений стратегического минерального сырья разработана базисная технология крупномасштабного взрывного разрушения массивов сложной структуры с селективной выемкой полезных ископаемых. Установлены взаимосвязи технологических параметров взрывных работ при разработке месторождений со сложным морфологическим
Рис. 3. Селективная выемка полезного ископаемого крупномасштабным взрывным разрушением массивов горных при отработке месторождений сложной структуры на открытых работах: 1 - массив горных пород; 2 - одиночные скважины; 3, 4, 5 - пучки из двух, трех, пяти скважин; 6 - заряд штатного ВВ в скважине; 7 - донный заряд конверсионных ВВ в скважине; 8 - заряд ВВ в скважине с усиленным зарядом конверсионных ВВ
строением. Обоснованы конструкции зарядов для разрушения массивов сложной структуры с селективной выемкой полезных ископаемых. Разработана методика оценки экономической эффективности крупномасштабного взрывного разрушения массивов сложной структуры.
На основании теоретических, экспериментальных и промышленных исследований зарядов направленного действия - кумулятивных зарядов плоской симметрии линейной и кольцевой формы, - предложен способ разработки месторождений со сложным морфологическим строением, обеспечивающий разделение рудных и безрудных участков, взрывание по контактам рудных тел и пр. (рис. 3).
Взрывание осуществляют путем порядного наращивания условного диаметра взрывной полости применением пучковых зарядов с переменным количеством скважин в пучке. Объемную концентрацию энергии взрыва скважинного пучкового заряда изменяют обратно пропорционально изменению коэффициента разрыхления отбитой горной массы. В соседних пучковых зарядах, как в ряду, так и между рядами устанавливают кумулятивные заряды с плоской симметрией линейной формы с ориентированием оси кумулятивной выемки по направлениям вертикальных или слабонаклонных контактов. В центральных скважинах пучков устанавливают кумулятивные заряды с плоской симметрией кольцевой формы с ориентированием оси кумулятивной выемки заряда по направлениям горизонтальных или пологих контактов. Производят короткозамедленное взрывание пучковых скважинных зарядов, начиная со второго и последующего рядов с увеличением ступени замедления каждого последующего ряда.
Создана технология взрывной отбойки при реализации комбиниро-
ванной физико-химической геотехнологии с элементами открытых и подземных горных работ, базирующаяся на учете особенностей процессов выщелачивания, специфики технологий разрыхления рудной массы взрывом.
При возникновении негативной динамики перехода металлов в продуктивные растворы в зависимости от длительности процессов, наличия неблагоприятных геотехнологических факторов - образования канализированных протоков повышенного гидродинамического сечения за счет вымывания мелких минеральных частиц, кольматации массива и порового пространства в замагазинированной руде, проводится интенсификация процесса выщелачивания взрывным способом. Сущность предложенного способа взрывных работ заключается в повторном дроблении ранее взорванной рудной массы. Установлено, что под воздействием активных химических агентов происходит изменение свойств ВВ - снижение чувствительности к инициирующему импульсу, уменьшение бризантности и повышение чувствительности к механическим воздействиям.
Учет выявленных закономерностей изменения свойств ВВ при обосновании параметров буровзрывных работ позволит изменять в достаточно широком диапазоне физические свойства массива и его структуру.
Реализация предложенных технологий будет способствовать расширению минерально-сырьевой базы горных предприятий, повышению полноты и комплексности извлечения ценных компонентов с использованием взрывных технологий для активного воздействия на разрабатываемый комбинированной открытой, подземной и физико-химической геотехнологии участок массива.
В этой связи определены условия реализации полного цикла комплекс-
ного освоения месторождений.
Горнотехнические системы с полным циклом комплексного освоения недр предусматривают разработку запасов кондиционных и ранее некондиционных руд и техногенного сырья с утилизацией конечных отходов в выработанном пространстве недр в едином производственном цикле комбинированных геотехнологий (рис. 4).
Условия реализации полного цикла комплексного освоения рудных месторождений:
• прогноз и обоснование на стадии проектирования видов георесурсов
и возможных направлений их эффективного использования;
• определение вида применяемых геотехнологий и их сочетаний в конкретный период функционирования горнотехнической системы;
• установление сроков и объемов вовлечения в эксплуатацию всех про-мышленно-значимых георесурсов;
• управление качеством твердых и жидких минерально-сырьевых потоков, формирующихся на различных добычных участках;
• своевременное воспроизводство георесурсов (не только и не столько в части подготовки запасов к очистной выемке, сколько сохранения, целенаправленного создания георесурсов нового вида, формирования их требуемого качественного состава);
• обеспечение в заданный период времени необходимого объема товарной продукции, получаемой в обогатительном или пирогидрометаллурги-ческом циклах;
• обеспечение замкнутого оборота минерального вещества путем обя-
Рис. 4. Горнотехническая система с полным циклом комплексного освоения рудных месторождений комбинированными геотехнологиями
зательной утилизации отходов в выработанных пространствах;
• обоснование способов организации труда и производства при сочетании геотехнологий;
• оптимизация проектных решений, дающих максимальный технико-экономический, эколого-экономиче-ский и социальный эффекты.
Базовое условие проектирования полного цикла комплексного освоения рудных месторождений - установление зависимостей конструктивных особенностей горнотехнических систем от типа осваиваемых месторождений, горно-геологических условий, последовательности реализации геотехнологических процессов, а также от принципов управления минерально-сырьевыми потоками в течение всего срока функционирования горнотехнической системы с обеспечением требуемой производственной мощности на весь период.
Доказано, что обеспечение устойчивой эксплуатации объектов минерально-сырьевого комплекса и со-
циальной стабильности в горнопромышленных регионах может быть достигнуто только при условии наиболее эффективного использования потенциала инновационных комбини-
рованных геотехнологий, расширения сферы функционального назначения георесурсов, их сбережения на длительную перспективу и своевременного воспроизводства.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Трубецкой Климент Николаевич - академик РАН, главный научный сотрудник, Каплунов Давид Родионович - член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник,
Викторов Сергей Дмитриевич - доктор технических наук, зав. отделом, Рыльникова Марина Владимировна - доктор технических наук, профессор, зав. отделом, e-mail: rylnikova@mail.ru,
Радченко Дмитрий Николаевич - кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник, ИПКОН РАН.
UDC 622.34:553
SCIENTIFIC RATIONALE OF TECHNOLOGIES FOR COMPREHENSIVE RESOURCE-SAVING EXPLOITATION OF STRATEGIC MINERAL RESOURCES
Trubetskoi K.N., Academician of Russian Academy of Sciences, Chief Researcher, Kaplunov D.R., Corresponding Member of Russian Academy of Sciences, Chief Researcher, Victorov S.D., Doctor of Technical Sciences, Head of Department, Rylnikova M.V., Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Department, e-mail: rylnikova@mail.ru,
Radchenko D.N., Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Senior Researcher, Institute of Problems of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources of Russian Academy of Sciences.
Strategic objective of national importance is the creation of the fundamental basis and the early implementation of the new geotechnologies of exploitation of mineral resources, which includes poor ore deposits, deposits at significant depths, and stockpiled wastes of mining and processing industry. This objective is only possible with the development of an innovative approach that encompasses all stages of the creation of new technologies -from basic research, is the basis of further development of any technologies to introduction of its to mining companies of the country to obtain economic benefits. According to performed studies, in the flow chart of ore mining include primary extraction processes by different methods of separation, preparation of filling mixtures based on rocks from the underground development and ore waste separation on mobile underground backfilling equipment. The inclusion of active recycling technologies of substandard ores to the design of mining allows to saves natural mineral resources through the use of man-made, to obtain additional marketable products, to reduce the area allocated for waste storage, improve the environmental conditions in the region of mining. The condition for design solutions in the field of comprehensive exploitation of mineral resources is to establish dependencies of mining systems design features on type of exploitation deposits, geological conditions, sequencing of geotechnical processes, as well as the principles of management in mineral flows during the life cycle of mine, to provide the required production capacity for the entire period.
Key words: resource saving, ore deposits, strategic mineral resources, the combined geotechnology, ore extraction, waste management, mining design, technical upgrade.
