CC BY
59
УДК 622.7:622.271.3: 622:502.7 © М.В. Рыльникова, В.В.Олизаренко,
И.С. Туркин,2014
ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И КОМПЛЕКСА ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ СТУПЕНЧАТОГО ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ ПРИ КОМПЛЕКСНОМ ОСВОЕНИИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ*
Проведен анализ масштабности накоплений отходов добычи и переработки руд на дневной поверхности, а так же проанализирован опыт зарубежных и отечественных предприятий по вовлечению техногенных отходов в промышленный оборот. Из анализа стало ясным, что перспективным направлением в области утилизации отходов является применение их в качестве компонента закладочной смеси. В статье приведены объемы твердеющей закладки выработанного пространства крупнейших предприятий Южного Урала. Из опыта предприятий по добавлению текущих хвостов как компонента закладочной смеси, стало ясным, что прочностные характеристики твердеющего состава заметно улучшаются. В связи с этим предложены технологические решения и комплекс оборудования по обезвоживанию текущих хвостов в выработанном пространстве рудника для применения их в качестве компонента закладочной смеси.
Ключевые слова: полезные ископаемые, горная масса, рудное месторождение, обезвоживание.
Основное содержание статьи
Рациональное использование недр основывается на повышении эффективности и комплексности добычи полезных ископаемых с утилизацией отходов горно-обогатительного производства в выработанных пространствах недр. В настоящее время применяемые технологии освоения полезных ископаемых позволяют использовать лишь небольшую часть извлекаемой из недр ценной минеральной массы, составляющей около 5—
* Работа выполнена по программе Отделения наук о Земле РАН ОНЗ-3 проект № 1.1.
8 % от общего объема перерабатываемой горной массы. Так, для получения 1 т металла, содержащегося в добытой горной массе, образуется от 30 до 99 т отходов обогащения и переработки руд (хвостов). Отходы обогащения и переработки руд, в свою очередь, являются техногенным сырьем и, в настоящее время, складируются или утилизируются преимущественно на земной поверхности в хранилищах техногенных образований различного вида. На их перемещение, складирование или утилизацию приходится в среднем от 5 до 8 % стоимостных затрат на производство продукции. [4]
Обзор опыта использования техногенного сырья свидетельствует, что при разработке только 15 % рудных месторождений проектами предусмотрено какое-либо использование отходов добычи и переработки руд. При этом, в стратегии развития региональной сырьевой базы утилизация техногенного сырья все более утверждается в качестве важного компонента минерально-сырьевого баланса и развитие технологии утилизации, складирования техногенного сырья в выработанных пространствах на поверхности в недрах земли или при использовании в качестве компонента закладочной смеси, является неотъемлемой инновационной составляющей приоритетного направления рационального природопользования.
До настоящего времени формирование техногенных образований осуществляется на основе традиционных требований и неуправляемого складирования или утилизации отходов обогащения и переработки руд в емкостных хранилищах, занимающих только на Урале более 500 га земель при ежегодном приросте объемов техногенного сырья свыше 15 млн.т, которые являются экологически опасными производственными объектами. При этом площадь нарушенных земель только в медной промышленности составляет более 60 тыс. га, из которых 13 % приходится на карьеры, 32 % — на отвалы, 37 % — на хвостохранилища и 18 % — на прочие отводы.
Применение отходов обогащения и переработки руд для управляемой селективной утилизации в выработанных пространствах карьеров или для закладки подземных выработанных пространств (камер) позволяет сократить количество и объем зани-
маемых экологически опасных хвостохранилищ, а в некоторых случаях исключить необходимость в их потребности. При этом законодательством РФ не предусматриваются отчисление недропользователем платежей за рациональное использование недр при размещении отходов добычи и переработки руд в выработанных пространствах.
Комплексный подход к освоению недр и использованию отходов обогащения и переработки руд, как техногенных георесурсов, включает целенаправленное формирование в выработанном пространстве карьеров и шахт из отходов добычи и переработки руд техногенных образований.
Так, наличие обогатительной фабрики в переделах земельного и горного отводов горно-обогатительного комбината (ГОК) и выработанных пространств Учалинского, Сибайского, Александринского, Гайского и др. карьеров, с действующими подземными рудниками под ними, позволяет использовать их выработанные пространства как емкости для складирования или утилизации хранения отходов обогащения и переработки
руд.
Последнее подтверждают возрастающие объемы выработанных пространств и закладочных работ (рис. 1) по подземным рудникам, отрабатывающих медно-колчеданные месторождения [4].
При этом высокая стоимость привозного вяжущего (цемента, доменного шлака, клинкера) и затраты на подготовку заполните -ля, включающие дробление и измельчение скальных пород вскрыши складированной в отвалах, оказывают существенное влияние на структуру себестоимости 1 м3 закладочной смеси (рис. 2) при закладке выработанных пространств подземных рудников.
На Учалинском руднике используются, как составы закладки на основе цемента (составляющего от 90 до 345 кг/м3), так и составы на основе смешанного вяжущего на основе цемента и доменных шлаков (составляющих от 240 до 450 кг/м3), затраты на приготовление которых изменяются от 530 до 1024,65 руб/м3 (табл. 1).
а
б
2100 п
2000
ч
<3 (О
1 1900
и
н
*1800 ч
ге
с
^
2 1700 ■а
2 а)
о 1600
1500
2010 2012 2014 2016 2018 2020 2022 2024 годы производства закладочных работ
Рис. 1. Структура годового объема закладочных работ по подземным рудникам Урала (а) и динамика роста объема закладочных работ (б) по ОАО «Учалинский ГОК» за период 2010-2025 гг.
Приготовление закладочных смесей на основе текущих хвостов обогащения руд позволит снизить затраты на приготовление закладочной смеси, производство закладочных работ, включающие затраты на транспортирование, складирование или утилизацию их в выработанных пространствах подземных горных выработок.
0123456789 10 11 Нормативная прочность МПа, (180 сут.)
Рис. 2. Стоимость приготовления 1м3 закладочной смеси в зависимости от необходимой нормативной прочности для Учалинского подземного рудника
Таблица 1
Составы закладочных смесей Учалинского подземного рудника
Нормативная прочность МПа (180 сут.) Расход компонентов, кг/м3
Вяжущее Заполнитель, диабаз вода
Цемент шлак
1,0 90 - 1460 455
2,0 130 - 1430 455
5,0 235 - 1330 455
11,0 345 - 1245 465
1,0 40 200 1100 520
2,0 80 220 1060 520
5,0 150 300 930 530
Одной из самых затратных процессов при подготовке хвостов обогащения к закладочным работам, то есть пульпы текущих хвостов поступающих от обогатительной фабрики с соотношением твердого и жидкого как Т:Ж=80:20, является их сгущение.
Сгущение предусматривают функции удаления избыточной технологической воды, необходимой для обеспечения напорного и самотечного транспорта, из состава пульпы хвостов. Требование к влажности текущих пульпы хвостов находится обычно в пределах от 10 до 20 %. Основными аппаратами для обезвоживания пульпы хвостов являются горизонтальные и вертикальные смесители (рис. 3) непрерывного действия, вакуумные фильтры или пресс-фильтры, конструкции которых подробно рассмотрены в работах [3].
Сгустители непрерывного действия
Радиальные (горизон-
тальные)
С центральным приводом (легкого типа)
С центральным приводом (тяжелого типа)
С периферийном приводом
Двухъярусные
С грунтовым днищем
Рис. 3. Общая классификация сгустителей непрерывного действия
Существующие технологии для выделения свободной влаги используют горизонтальные сгустители одно- или многоярусные, с центральным или периферическим приводом (рис.3). Их максимальный диаметр достигает многих десятков метров, а сооружение требует больших капитальных затрат и наличия большого пространства, которых нет в подземных условиях. В настоящее время широкое распространение получили вертикальные пластинчатые сгустители, так как их поверхность осаждения сопоставима с радиальными сгустителями, а удельная производительность существенно выше.
Вертикальный сгуститель, обладая вышеперечисленными достоинствами по сравнению с радиальными сгустителями, такими как высокая удельная производительность, чистота слива, малые габаритные размеры, [1] нами предлагается включить его в горизонтально-вертикальном пространстве подземных выработок для последующей закладки частично обезвоженными хвостами выработанного пространства.
Общая структура технологической схемы включает в себя (рис.4):
• транспортирование текущих хвостов с поверхности от обогатительной фабрики в подземное пространство;
• транспортирование хвостов до мобильного сгустительного комплекса;
• сгущение текущих хвостов до требуемого соотношения Т:Ж;
• транспортирование сгущенного продукта по трубопроводу до приемной воронки закладываемой камеры; гидравлическая закладка камеры.
Рис. 4. Общая структура технологической схемы применения вертикальных сгустителей, для закладки выработанного пространства, в вертикальной расположении: 1 - обогатительная фабрика; 2 - трубопровод для транспортирования текущих хвостов обогащения; 3 - восстающий; 4 - трубопровод для подачи текущих хвостов в сгуститель; 5 -вертикальный сгуститель; 6 - трубопровод для транспортирования сгущенной пульпы; 7 - приемная воронка; 8 - закладываемое пространство; 9 - массив, формируемый закладочной смесью; 10 - трубопровод для отвода осветленной воды от сгустителя до насоса; 11 -центробежный насос; 12 - напорный трубопровод для отвода осветленной воды
Текущие хвосты обогатительной фабрики имеют соотношение Т:Ж приблизительно 20:80, что способствует беспрепятственному транспортированию их по трубопроводу большой протяженности. Так из фабрики 1 по трубопроводу 2 текущие хвосты транспортируются горизонтально до вертикального восстающего 3, затем по вертикальному трубопроводу на подачу в сгустители 5. Сгустившись, полученная пульпа подается в трубопровод 6 при помощи разгрузочного шнека, а осветленная вода по трубопроводу 10 подается на насос 11 и под давлением откачивается на поверхность, по трубопроводу 12. Сгущенная пульпа транспортируется до выработки, расположенной над закладываемой и разгружаясь в приемную воронку, попадает в закладочную выработку. В технологической схеме (рис.4) показано, как поток разделен на три и в работе по сгущению возможно каскадно размещать несколько сгустителей для обеспечения требуемой производительности три сгустителя.
В свете выше сказанного, оценивая геометрические размеры вертикального сгустителя, его производительность, можно сказать, что расположение сгустителя в вертикальном пространстве подземных выработок ведет к созданию мобильных закладочных комплексов. Внедрение в практику проектирования горных предприятий, осуществляющих разработку рудных месторождений подземным способом, модульных закладочных комплексов позволит:
• расширить область применения систем разработки с твердеющей закладкой;
• существенно экономить электроэнергию на подготовку компонентов закладочной смеси;
• снизить расход вяжущих, в том числе цемента;
• в краткие сроки ликвидировать подземные пустоты, провалы и деформации земной поверхности при комбинированной разработке рудных месторождений;
• сократить травматизм и обеспечить безопасность подземных горных работ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пироженко В.П. Выбор и обоснование рациональных параметров сгустительного -смесительного оборудования закладочных комплексов для приготовления твердеющей смеси на основе хвостов обогаще-
ния полиметаллических руд: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Санкт-Петербург: СПГГИ, 2009. - 20 с
2. Закладочные работы в шахтах. Справочник / Под ред. Бронникова Д.М., Цыгалова М.Н. — М.: Недра, 1989. - 400 с.
3. Ахмедьянов И.Х. Оценка рыночного потенциала технологий утилизации некондиционного сырья в полном цикле комплексного освоения рудных месторождений / Петрова О.В., Рыльникова М.В. // Маркшейдерский вестник, 2012. № 5. С. 5-8.
4. Комплексное освоение месторождений и глубокая переработка минерального сырья / К.Н. Трубецкой, В.А. Чантурия, Д.Р. Каплунов, М.В. Рыльникова; Ин-т проблем комплексного освоения недр РАН. М.: Наука, 2010. 437с
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Рыльникова Марина Владимировна — доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник, ИПКОН РАН, rylnikova@mail.ru, Ангелов Валерий Андреевич — кандидат технических наук, ведущий специалист, ОАО «УралГеоПроект», Angelov.valerii@mail.ru, Туркин Иван Сергеевич — магистр, аспирант, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Sailor19@yandex.ru
UDC 622.7:622.271.3: 622:502.7
SUBSTANTIATION OF THE TECHNOLOGY AND EQUIPMENT FOR STEP DEHYDRATION TECHNOGENIC RAW MATERIALS IN COMPLEX EXPLORATION OF ORE DEPOSITS
Rylnikova Marina Vladimirovna, Doctor of Technical Sciences, Professor, Leading Researcher, IPKON RAS
Olizarenko Vladimir Vladimirovich, Ph.D., Professor of department, Leading Specialist, Magnitogorsk State Technical University. name Nosov
Turkin Ivan Sergeyevich, Master of Science, graduate student, Magnitogorsk State Technical University. name Nosov
In the article the analysis of the scale of the accumulation of wastes of mining and processing of ore to the surface, and has also reviewed the experience of foreign and domestic enter-
prises engaging technogenic waste of the industrial revolution. From the analysis it became clear that a prospective direction in the area of waste management is the use of them as a component of filling mixture. In the article the volume hardening laying-out space largest enterprises of southern Urals. From the experience of the enterprises for adding the current tailings as a component of filling mixture, it became clear that the strength characteristics of hardening structure improved noticeably. In this regard, the proposed technological solutions and equipment for dewatering of the current tailings in the developed space of mine to use them as a component of filling mixture.
Key words: mineral resources, mining and weight of the ore Deposit, dehydration.
REFERENCES
1. Pirozhenko V.P. Vybor i obosnovanie racional'nyh parametrov sgustitel'nogo-smesitel'nogo oborudovanija zakladochnyh kompleksov dlja prigotovlenija tverdejushhej smesi na osnove hvostov obogashhenija polimetallicheskih rud (Selection and justification of rational parameters shutteling-mixing equipment of filling complexes for the preparation hardening mixtures on the basis of tailings polymetallic ores): Avtoref. dis. ... kand. tehn. nauk. Sankt-Peterburg: SPGGI, 2009, 20 p.
2. Zakladochnye raboty v shahtah (Backfilling in mines). Spravochnik / Pod red. Bron-nikova D.M., Cygalova M.N. Moscow, Nedra, 1989, 400 p.
3. Ahmed'janov I.H. Ocenka rynochnogo potenciala tehnologij utilizacii nekondicion-nogo syr'ja v polnom cikle kompleksnogo osvoenija rudnyh mestorozhdenij (Assessment of market potential of technologies for utilization of substandard raw materials in the full cycle of complex development of mineral deposits) / Petrova O.V., Ryl'nikova M.V. // Markshejderskij vest-nik, 2012. No 5. Pp. 5-8.
4. Kompleksnoe osvoenie mestorozhdenij i glubokaja pererabotka mineral'nogo syr'ja (Integrated field development and deep processing of mineral raw materials)/ K.N. Trubeckoj, V.A. Chanturija, D.R. Kaplunov, M.V. Ryl'nikova; In-t problem kompleksnogo osvoenija nedr RAN. Moscow, Nauka, 2010, 437 p.
