Обоснование полного цикла комплексного освоения недр при разработке месторождений твердых полезных ископаемых Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Д.Р. Каплунов, Д.Н. Радченко, 2011

УДК 622.27.326

Д.Р. Каплунов, Д.Н. Радченко

ОБОСНОВАНИЕ ПОЛНОГО ЦИКЛА КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ НЕДР ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Действительные результаты комплексного освоения недр и его высшей стадии — сохранение последних, могут быть обеспечены только в ходе реализации полного цикла, соответствующего процессам добычи и переработки природного и техногенного сырья, с обязательной утилизацией отходов в выработанных пространствах. Это достигается при эффективном сочетании на осваиваемом участке недр физико-технических и физико-химических геотехнологий.

Ключевые слова: полный цикл, проектирование, комплексное освоение, комбинированные геотехнологии, извлечение из недр, утилизация отходов.

Ж^нновационная направленность развития экономики Рос--Ж-1 сии требует разработки и реализации геотехнологий, отвечающих мировому уровню и опережающих его. При этом критериями эффективности должны являться полнота и комплексность использования георесурсов как при извлечении запасов из недр, так и при извлечении ценных компонентов из вещества, экономическая эффективность, экологическая безопасность и высокий уровень технологической механизации и автоматизации производства, а также сохранение недр для продления сроков их эффективной эксплуатации. В отечественной и зарубежной практике для достижения таких показателей при освоении месторождений, наряду с традиционными, все чаще реализуются технологии разработки техногенных образований с рентабельной переработкой сырья, вовлекаются в эксплуатацию запасы бедных руд, ранее относимые к забалансовым, находят полезное использование рудничные воды и выработанные пространства. Как правило, масштабная реализация таких технологий, имеет место на завершающей стадии эксплуатации месторождений или даже через несколько лет, после завершения добычи основной части запасов; их внедрение требует существенных дополнительных затрат, что снижает экономическую эффективность разработки и экологический эффект, усложняет орга-

низационно-технические решения по горнодобывающему и перерабатывающему комплексам. Тем более, в настоящее время нет реальных примеров реализации безотходных технологий, а также действительно комплексного освоения месторождений, равно, как не существует единого научно-методического подхода к таковому.

В первую очередь, проблему комплексного освоения месторождений полезных ископаемых необходимо решать на стадии проектирования. При этом взаимосвязь решений в рамках проектируемой горнотехнической системы должна базироваться на некоторой объединяющей идее техногенного преобразования недр, отвечающей требованиям и интересам субъектов, находящихся во взаимодействии с данной системой.

Рассматривая проблему проектирования горнотехнических систем комплексного освоения недр и проводя аналогию с природными системами, нельзя не отметить цикличность протекающих в них процессов в рамках определенного временного интервала. Полный, замкнутый цикл реализации того или иного процесса - само условие длительного сбалансированного функционирования любой природной системы. При проектировании горнотехнических систем также актуально решение задач максимально длительного и экологически сбалансированного их функционирования. Продление сроков работы горнодобывающих предприятий, зачастую, градообразующих - важная стратегическая задача, а необходимость решения экологических проблем общеизвестна.

В этой связи, проецируя природные процессы, характеризующиеся полным циклом их реализации, на проблему комплексного освоения недр, можно предположить, что в пределах горнотехнических систем может быть организован замкнутый оборот минерального вещества. Для этого полный цикл комплексного освоения должен включать не только добычу и обогащение руд, но и глубокую переработку техногенного сырья (некондиционных руд, складируемых до настоящего времени в отвалах, хвостов обогащения и прочих) с обязательной утилизацией всех отходов в выработанном пространстве карьеров и шахт.

В большинстве случаев реализация такого подхода становится возможной благодаря применению на осваиваемом участке недр процессов физико-технических и физико-химических геотехнологий и их эффективному сочетанию. В нашей стране такие технологии нашли применение при подземном и кучном выщелачивании

окисленных медных руд, благородных металлов, нерудных полезных ископаемых и, в наибольшей степени, в урановой отрасли. В мировой практике на рудниках Финляндии, Австралии, Канады, стран Южной Америки подобные сочетания геотехнологий используются также при разработке и переработке сульфидного медно-цинкового и никель-кобальтового природного и техногенного минерального сырья, платиновых и других руд.

Несмотря на разработку и широкую апробацию физикохимических технологий, пригодных для вовлечения в эксплуатацию техногенного минерального сырья, степень его использования после предварительного извлечения ценных компонентов до настоящего времени весьма низка. Применяемые в практике горных работ технологии использования отходов для закладки выработанного пространства подземных камер являются нерациональными, т.к. техногенное сырье содержит как основные, так и попутные компоненты, которые теряются. Поэтому такой подход к утилизации отходов не может рассматриваться в рамках идей комплексного освоения.

При реализации полного цикла в проектных решениях должны быть предусмотрены технологии, позволяющие эффективно извлекать ценные компоненты из техногенного сырья в цикле глубокой переработки на обогатительных фабриках и выщелачиванием, и только после этого использовать отходы в технологии закладочных работ. Такое направление развития геотехнологий обусловлено, с одной стороны, ограниченностью и невозобновляемостью запасов природного минерального сырья, особенно цветных, благородных и рассеянных металлов, с другой стороны - крупномасштабным накоплением этих элементов в техногенных образованиях, представленных сырьем, уже прошедшим первичную переработку и оказывающим существенное негативное воздействие на окружающую среду.

Несомненно, проектирование горных предприятий с двумя существенно-различными перерабатывающими производствами, а в случае освоения месторождений цветных, редких, благородных металлов - обогатительной фабрики и гидрометаллургического завода, имеет ряд особенностей экономического плана, а также связанных с усложнением задач проектирования, организационнотехническими решениями по предприятию, подбором квалифицированных кадров и других.

Вместе с тем, в полном цикле комплексного освоения, где запроектированы физико-химические геотехнологии, в частности, для обязательной переработки техногенного сырья, существует реальная возможность вовлечения в эффективную отработку запасов, сосредоточенных в ореолах залежей окисленных и некондиционных руд, имеющиеся на большинстве рудных месторождений. Кроме этого, в подземном пространстве за проектным контуром карьеров в бортах и основании остаются выклинивающиеся в массиве и распределённые по периметру рудные участки, в шахтных полях не полностью отрабатываются бедные руды и маломощные рудные залежи, отдалённые локальные рудные тела, а также запасы, расположенные в неблагоприятных горно-геологических условиях. Например, на месторождениях золота и серебра, полиметаллических руд Урала, Сибири, Чукотки, Магаданской области до настоящего времени к забалансовым относят запасы, с содержанием золота 1-1,7 г/т, серебра - 50-100 г/т, свинца - 1,5%, меди -0,5%. При отработке медно-колчеданного месторождения Молодёжное, в бортах и основании карьера осталось 25% балансовых запасов, а на Сибайском месторождении осталось 7 млн. т. руды. На территории Узельгинского месторождения сосредоточено 65 рудных тел, из которых лишь 9 тел относятся к балансовым. Октябрьское месторождение, представлено 64 рудными телами, из них 7 рудных тел являются забалансовыми, на Озерном более половины запасов отнесены к забалансовым. Разработка месторождений калийных солей камерно-столбовыми системами позволяет извлечь только 25-40% запасов, остальные составляют потери в недрах.

В большинстве случаев, такие запасы уже вскрыты и частично подготовлены к разработке физико-химическими способами. К настоящему времени выполнено значительное количество научноисследовательских и опытно-конструкторских работ по подземному выщелачиванию некондиционных руд практически всех видов полезных ископаемых, которые прошли успешную апробацию на горных предприятиях, развиты методы гидродобычи, подземного растворения. В урановой отрасли методы подземного выщелачивания скальных руд внедрены в практику многих предприятий.

В полном цикле комплексного освоения при совмещении на осваиваемом участке недр процессов открытых, открытоподземных, подземных горных работ, выщелачивания, гидродобы-

чи, других способов, в зависимости от вида полезных ископаемых, возможно получение различных видов товарной продукции при рациональном сочетании долей:

- рудопотоков богатых руд, перерабатываемых на обогатительной фабрике с получением различных товарных концентратов;

- рудопотоков, представленных некондиционными рудами, предназначенными для кучного выщелачивания;

- потоков твердого и жидкого (минерализованных рудничных вод) техногенного сырья, поступающих в переработку на фабрику, участок кучного выщелачивания, гидрометаллургический передел;

- потоков продуктивных растворов, поступающих с участков шахтного, либо скважинного выщелачивания некондиционных руд, относимых до настоящего времени к забалансовым запасам. В ходе переработки продуктивных растворов на горнодобывающем предприятии возможно получение товарных металлов и их соединений, а также концентратов попутно извлекаемых элементов;

- потоков продуктивных растворов кучного выщелачивания отходов добычи и переработки руд, также перерабатываемых гидрометаллургическими методами с получением выше названных товарных металлов и их соединений и других видов минерального сырья.

Таким образом, в полном цикле комплексного освоения перерабатывающие производства обеспечиваются необходимым объемом твердых и жидких минерально-сырьевых потоков, поступающих с различных добычных участков (рисунок).

Возможность получения товарной продукции в результате переработки комплекса минерально-сырьевых ресурсов является тем более важным фактором в понимании процессов техногенного преобразования недр, чем более истощаются крупные месторождения нашей страны в промышленно-значимых регионах. Решение вопросов вовлечения бедного природного и техногенного сырья в эксплуатацию комбинированными физико-техническими и физикохимическими геотехнологиями

Схема формирования и движения минерально-сырьевых потоков в горнотехнической системе с полным циклом комплексного освоения участка недр

позволит существенно продлить срок эксплуатации предприятий без снижения качественных показателей освоения месторождений.

Учет при проектировании возможности маневрирования интенсивностью эксплуатации георесурсов в полном цикле позволяет получать тот же уровень экономической эффективности при более низких темпах добычи балансовых запасов. Такая возможность связана с внедрением технологий извлечения металлов из некондиционных, в современном понимании, руд и переработки техногенного сырья. Компенсация мощностей за счет альтернативных источников весьма важна при возникновении на горных предприятиях ситуаций, связанных с неподтверждением запасов, требований увеличения выпуска товарной продукции, в том числе, в период сложных экономических и других условий.

Рациональная интенсивность эксплуатации запасов богатых руд за счет использования других источников минерального сы-

рья позволяет говорить о сохранении осваиваемого участка недр на длительную перспективу. Стратегическое значение такого подхода к сохранению ресурсов земных недр переоценить невозможно, так как обеспечение будущих поколений минеральным сырьем высокого качества на как можно более длительный период, является важной научной и производственной задачей.

При реализации полного цикла освоения значительно возрастают требования к глубине изучения месторождений и дифференциации разведанных запасов по составу и качеству всех полезных компонентов в связи с возможностями применения на различных участках физико-технических и физико-химических геотехнологий. В этом плане возникает необходимость установления рационального перечня извлекаемых компонентов с учетом возможностей обогатительного и гидрометаллургического передела. Повышение комплексности извлечения металлов направлено как на снижение затрат на добычу и переработку руды, так и на рост объемов реализации продукции, а также способствует утилизации в закладке отходов горного и перерабатывающих производств с минимальным остаточным содержанием ценных компонентов, не имеющим промышленной ценности.

Вопрос закладки выработанного пространства с использованием отходов обогащения и выщелачивания в аспекте проектирования и реализации полного цикла комплексного освоения является одним из основных. Только в случае применения на подземных рудниках систем разработки с закладкой выработанного пространства и (или) размещения всего объема образующихся отходов в выработанном пространстве карьеров, цикл освоения может рассматриваться как полный (замкнутый). Технологии использования отходов обогащения в качестве наполнителей закладочных смесей различного состава разработаны достаточно широко, в этом плане проектирование горнотехнических систем с полным циклом не вызывает принципиальных сложностей. Имеются хорошие результаты исследований в лабораторных условиях и промышленной реализации технологий формирования закладочных массивов на основе отходов выщелачивания руд и хвостов обогащения, отвечающих нормативным требованиям.

Требования полного цикла к наиболее полному вовлечению в эксплуатацию природного и техногенного минерального сы-

рья, а, так или иначе, и других, сопутствующих георесурсов, определяют необходимость решения, наряду с традиционными проектными, таких задач, как:

- прогноз и обоснование видов георесурсов и возможных направлений их эффективного использования;

- определение вида применяемых физико-технических и физико-химических геотехнологий и их сочетаний в конкретный период функционирования горнотехнической системы;

- установление сроков и объемов вовлечения в эксплуатацию всех промышленно-значимых георесурсов;

- управление качеством твердых и жидких минеральносырьевых 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 гидрометаллургическом циклах;

- обеспечение замкнутого оборота минерального вещества путем обязательной утилизации отходов в выработанных пространствах;

- обоснование способов организации труда и производства при сочетании геотехнологий;

- оптимизацию проектных решений, дающих максимальный технико-экономический, эколого-экономический и социальный эффекты и других.

Наряду с названными, условия реализации полного цикла состоят в необходимости решения ряда весомых задач, среди которых совершенствование нормативно-правовой базы недропользования, норм и средств технологического проектирования, решение вопросов подготовки горных инженеров - специалистов в области комплексного освоения месторождений, разработка инновационных ресурсосберегающих технологий и многие другие.

Развитие научно-методической базы проектирования комбинированных физико-технических и физико-химических гео-

технологий в полном цикле комплексного освоения направлено не только на разработку новых месторождений, но и на проектирование технологического развития уже действующих предприятий, имеющих для этого необходимую материальнотехническую базу, трудовые ресурсы, развитую инфраструктуру.

Рассмотренные аспекты эксплуатации месторождений позволяют говорить о том, что действительные результаты комплексного освоения недр и его высшей стадии - сохранение последних, могут быть обеспечены только в ходе реализации полного цикла, соответствующего процессам добычи и переработки природного и техногенного сырья, создающего условия сохранения первого при задаваемых объемах получения конечных продуктов, птш

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

Каплунов Д.Р. - член-корреспондент РАН, заведующий отделом теории проектирования освоения недр

Радченко Д.Н. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник

УРАН ИПКОН РАН, [email protected]