CC BY
40
УДК 622. 272 С.Г. Лейзерович
ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ПОДЗЕМНОГО СКЛАДИРОВАНИЯ ОТХОДОВ ОБОГАЩЕНИЯ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ
Приведены результаты исследований и технико-экономические показатели при проведении промышленных испытаний по применению гидравлической закладки подземных отработанных камер на комбинате «КМАруда».
Ключевые слова: обесшламливание, гидрозакладка, обогащение.
ГГ1 енденция расширения подземных работ в горнорудной промышленности мира из-за снижения не-глубокозалегающих запасов минерального сырья способствует росту объемов закладочных работ. Последнее, кроме решения чисто горных задач (снижение горного давления, увеличение извлечения полезных ископаемых и др.), позволяют в совокупности решить многие эколого-экономические проблемы, такие как размещение отходов в выработанном пространстве и уменьшение изъятия земель, существенное снижение загрязнения водного и воздушного бассейнов, почв, дефицита воды, суммарных производственных и налоговых расходов и др.
Применение наиболее дешевой гидравлической закладки (без вяжущего) при подземных горных работах имеет давнюю историю. Для этих целей использовали песок либо мелкокусковую породу. Хвосты обогащения применяли в том случае, если коэффициент фильтрации уложенной смеси превышал 100 мм/час, что достигалось их обесшламы-ванием. Заполняемое закладной пространство представляло собой слоевые
Семинар № 18
выработки либо камеры с небольшими параметрами.
Отходы современных обогатительных фабрик (далее хвосты обогащения) представляют собой тонкозернистый материал с преобладающим содержанием частиц < 0,05 мм (более 50 %), в котором имеется большое количество пылевых частиц 20-10 мкм и менее 5 мкм. Коэффициент фильтрации такого материала 20 мм/час и менее и приближается в искусственном массиве по этому показателю в отдельных слоях к свойствам глин. В этой связи подготовка хвостов для использования их в качестве закладочного материала в соответствии с сформулированными требованиями является нелогичной и неэкономичной, т.к. выход готового продукта составит 20-40 % и сохраняются все проблемы по размещению на поверхности оставшейся массы силикозоопасных хвостов.
Поэтому для Комбината «КМАруда» был разработан и применен иной принцип отбора закладочного материала и технология его размещения в подземном выработанном пространстве.
Хвосты отбирались непосредственно из технологического процесса обогащения в точке с содержанием твердого в
потоке по массе до 32 % и направлялись в шахту в ранее отработанные подготовленные камеры без обесшламливания, а основная масса осветленной воды непрерывно переливом вытекала на верхний горизонт и поступала на нижний горизонт в систему шахтного водоотлива. При завершении заполнения камеры закладочная смесь быстро переходит из текучего состояния в вязко-пласти-чное, а затем в жестко-пластичное. Через дренажи в нижней части камер фильтруется незначительная часть воды (10-15 %). В результате в верхней и средней части камер свободной воды практически не остается.
Эта технология обладает мировой новизной и запатентована [1]. В производственном плане работы по созданию и развитию опытной технологии проводилась на двух очередях опытного участка. В настоящее время всего заполнено хвостами 9 камер, в том числе по 1-й очереди 2 экспериментальные камеры, 5 опытных камер. По второй очереди заполнено 2 камеры, продолжается заполнение 10 камер. Одна частично заполненная камера используется как отстойник для осветления воды. Результаты исследований по первым двум периодам заполнения камер были изложены в [2, 3].
Камеры второй очереди опытной закладки представляет собой сложную динамично изменяемую и изменяющуюся многофакторную систему, подверженную внешним воздействиям от поступления пульпы, взрывов и др. источников.
Сложность системы объясняется тем, что в заполняемом пространстве, гидроизолированном на нижнем горизонте от основного массива, находится 12 камер с суммарным объемом 750 тыс. м3, в которых имеются откосы остатков отбитой руды (плановые потери), частично за-
полненные и свободные десятки выпускных выработок, соединяющие все камеры между собой на уровне откачного и доставочного горизонтов, а также бывшие вентиляционные и рудоперепускные вертикальные и наклонные выработки, входящие в общую вновь создаваемую гидравлически связанную систему.
При подаче пульпы в конкретную камеру происходит ее активное заполнение (будущая камера - «донор»). Одновременно или с запозданием происходит пассивное заполнение других камер путем перетока и филь-трации с различным дебитом из активной камеры. При этом за счет потоков пульпы и подмока-ния остатков руды изменяются углы откоса, и происходит перемещение рудных масс и хвостов по камерам и соединительным выработкам с перекрытием одних путей и открытием других.
Динамичность системы обусловлена производством массовых взрывов вблизи с заполняемым участком, перетоками и массопереносом пульпы, воды, хвостов и руды, происходящими как под действием взрывов, так и от перепадов давления между уровнями в активной и пассивных камерах. В целом на состояние всей системы выработок сказывается проницаемость заполняемого пространства, а также изменения свойств вновь образующейся смеси хвостов, породы и воды внутри камеры.
Эти изменения наблюдались визуально, когда на первом этапе работ размещение и порядок возведения перемычек позволял проникать в заполняемое пространство для фактической оценки состояния выработок горизонта откатки и доставки.
В настоящее время оценка ведется по замерам результатов заполненности водой,
твердым и пульпой по всем доступным с верхнего горизонта выработкам, по показаниям манометров, характеру дебита и чистоте слива из камер и дренажей на обоих горизонтах.
На основе анализа наблюдений за уровнями твердого и пульпы в камерах и восстающих разработан алгоритм управления порядком заполнения камер, обеспечивающий безопасную технологию работ.
В 2008 г. закладочные работы велись только по участку 2-ой очереди, а мониторингом был охвачен весь закладочный комплекс. Работы велись в соответствии с ранее выданными рекомендациями. В них обоснован порядок ведения закладочных работ по участку и в каждой панели. Участок состоит из 3-х панелей. Порядок работ предусматривает первоочередное создание качественных дренажных площадок перед перемычками, минимизацию накопления воды в шахте и затрат на ведение закладочных работ, а также их концентрацию. В результате исследований установлено, что характер заполнения камер по участкам 1-й и 2-й очередей близки по технологии, несмотря на различие в количестве заполняемых камер. При наличии вертикальной выработки на заполняемом участке, выходящей непосредственно на откаточный и вентиляционный горизонты, требуется учет ее гидравлического сопротивления и его корректировка. Уровни заполнения таких выработок в процессе заполнения камер могут приближаться к критическим по самоизливу на рабочий горизонт, и требуется регулирование подачи пульпы по камерам.
Ближайшие массовые взрывы с отбойкой до 500 кг ВВ на одно замедление и максимальной общей массой 9,2 т при расстоянии до заполняемых камер
60-100 м были реализованы в соответствии с рекомендациями по заполнению камер и не привели к осложнениям технологического характера. Первые взрывы способствовали началу перетоков закладки из камеры в камеру при давлениях, меньших, чем это имело место при естественных перетоках на 1-й очереди заполнения. Поэтому существенных перетоков твердого из камеры в камеру, как это имело место ранее, не зафиксировано. Перетоки воды могут иметь место как между камерами одной панели, так и между камерами разных панелей. В целом направление перетоков определяется положением камеры - «донора» на начальном этапе заполнения панели и степенью заполненности выработок оставшейся рудой. В дальнейшем на перетоки влияет складывающаяся ситуация по уровням твердого и жидкого в камерах и произошедшим ранее мас-сопереносом. Динамика заполнения камер в одной из панелей приведена на рис. 1. Наличие точек слива осветленной воды из отдельных камер через скважины при процессе заполнения объема пульпой создает ступенчатую депрессионную поверхность в запере-мычном пространстве.
Приповерхностное осушение камер
2-й очереди происходит аналогично камерам 1-й очереди. Конечная влажность 0,5-25 %. Усадка закладки продолжается. Повторное замачивание камеры повышает скорость осаждения, которая затем снова снижается. Влажность вблизи поверхности хвостов зависит от их гранулометрического состава.
Скважины, пробуренные нами для наблюдения в хвостах ранее заполненных камер, сохраняются уже более
3-х лет в хорошем состоянии. Подъем
и колебания дна скважин прекратилось. Их глубина стабилизировалась. Угол наклона подводной поверхности хвостов в период заполнения камеры и осушения не превышает двух градусов в направлении слива воды.
На завершающем этапе заполнения камеры при увеличивающейся производительности подачи пульпы возможно самообразование вала из хвостов со стороны слива, который может изменить направление потока осветленной воды. Осветленность слива из заполняемых камер удовлетворительная (до 3 г/л), кроме завершающей стадии, когда глубина до слоя хвостов составляет 1,5 м и менее. В этом случае необходимо проводить ряд мероприятий, чтобы обеспечить чистоту слива. Исследованиями установлено, что при активном и пассивном заполнении камер внутри них происходят различные физические процессы, что приводит соответственно к коррелируемости либо некорре-лируемости наблюдаемых параметров. Так показания манометров на перемычках хорошо коррелируется с величиной уровня воды над ними в ближайших пассивно заполняемых пульпой камерах и не коррелируется в активно заполняемой камере (рис. 2). Это связано с тем, что при активном заполнении подача пульпы производится сверху, идет существенное уплотнение хвостов. При пассивном -имеется более тесная гидравлическая связь между манометром и уровнем воды в камере, так как хвостов в камере пока мало, и они не уплотнены. В процессе длительного промышленного эксперимента накоплены интересные практические результаты по реальному износу вертикального закладочного тру-
бопровода. Из-за абразивного износа уже заменено два вертикальных стока. Оказалось, что по его длине имеется 4 участка, износостойкость которых отличается на порядок.
Наибольшему износу подвержена верхняя часть трубопровода: воронка, ее хвостовик, верхняя стыковочная труба -«маломерок», 1-я магистральная труба. Их износостойкость составляет до 20 тыс. т/мм толщины металлической стенки. Наиболее износостойки - нижние трубы (до 200 тыс. т /мм). Последнее связано с тем, что низ вертикального трубопровода практически постоянно заполнен на величину, равную сопротивлению горизонтального участка транспортной системы.
На основе этих исследований разработаны рекомендации по подготовке труб, технологии замены и обеспечения рав-ноизношенности всего вертикального става к моменту его демонтажа, что существенно снижает затраты на транспорт пульпы.
Анализ простоя закладочного комплекса (ЗК), жестко связанного с работой обогатительной фабрики (ОФ), показал, что в его работе имеются значительные резервы. Коэффициент использования рабочего времени ЗК составляет 55 % от времени работы ОФ. Время простоев ЗК по вине ОФ составляет 10 %, остальные простои связаны с шахтой и носят в основном организационный характер. Наличие резерва времени и освоение технологии складирования хвостов позволили постоянно повышать интенсивность ведения закладочных работ (рис. 3), которая за 5 лет выросла по объемам и производительности подачи твердого на 84 и 53 % соответственно. Содержание твердого в пульпе превысило
Абсолютные отметки,м
кам16/10вд кам18/1 Овд кам15/10вд ^^кам15/10хв ^^кам16/10хв Д кам17/10вд ^^кам17/10хв • дата взрыва
Даты замеров
Рис. 1. Динамика заполнения камер в панели
Уровени воды по манометрам (-),
♦ пер№1
■ пер№2
А пер№6
-105 -100 -95 -90 -85 -80 -75 -70
Уровень воды по замеру
Уровени воды по манометрам,абс (-),м
("активная" камера)
♦ у1
показания маном.пер.4.1 ■ У2 показания маном.пер.4.2
-----Полиномиальный (у1)
-----Степенной (у2)
Уровень воды по замеру абс(-), м
Рис. 2. Соотношение абсолютных уровней воды в камерах по прямым замерам и показаниям манометров: а - «пассивные» камеры; б -«активная» камера
Рис. 3. Технологические показатели работы закладочного комплекса за 2003-2008 гг.
проектные показатели и составило 27,4 %. Всего с начала эксперимента по ведению закладочных работ уложено в шахту более 1,2 млн. т хвостов (по сухой массе), откачено более 2,3 млн. м чистой воды, заполнено более 700 тыс. м3 пустот. Опытные закладочные работы ежегодно окупались и приносили прибыль.
Реальный экономический эффект за 2008 г. составил более 26 млн. руб. и увеличился за год на 46 %.
1. Патент РФ № 2224112
2. Ельников В.Н., Лейзерович С.Г. Безотходное производство железорудного концентрата ближайшего будущего. Горный журнал № 4-5, 2003. - с. 13-15.
Проведенный крупномасштабный промышленный эксперимент подтвердил правильность предложенных принципов технологии гидрозакладки хвостов в шахту и послужил основой для подготовки к переходу на безотходное производство железорудного концентрата. Комбинат КМАруда» завершает подготовку к сгущению всех текущих хвостов и их складированию в отработанных камерах.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Усков А.Х., Лейзерович С.Г. Результаты исследований и внедрения опытной технологии гидрозакладочных работ. Горный журнал №4, 2008.-с. 18-20. ЕШ
|— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------
Лейзерович С.Г. - заведующий лабораторией технологии подземных горных работ ОАО «Научно-исследовательский институт по проблемам КМА им. Л.Д. Шевякова» (НИИК-МА), [email protected]
