Переходные процессы в технологии разработки сложноструктурных месторождений полезных ископаемых Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© В.Л. Яковлев, 2015

УДК [622.014.3:553.042]:001.89 В.Л. Яковлев

ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ1

Представлены новые методологические подходы к решению проблем освоения глубокозалегающих сложноструктурных месторождений с учетом нарастания геологической информации по мере развития горных работ и необходимости изменения параметров горнотехнической системы предприятия на принципах системности, комплексности, междисциплинарности и инновационной направленности с учетом исследования переходных процессов при разработке инновационных технологий оценки, добычи и рудоподготовки минерального сырья. Приведен также перечень наиболее значимых научных, технологических и организационно-технических вопросов, решаемых при проектировании и разработке сложноструктурных месторождений, требующих исследования и учета переходных процессов.

Ключевые слова: сложноструктурные месторождения, переходные процессы, комплексное освоение недр и территорий.

История горного дела насчитывает многие сотни, если не тысячи лет, но в современном его представлении этапы развития технологий и методологии освоения недр целесообразно рассматривать, начиная с послевоенных лет (1945 г.).

В работе [1] автором данной статьи изложен исторический опыт развития научных идей и методологических подходов к обоснованию технологий, параметров горных работ и стратегии освоения недр, и приведен перечень публикаций ученых, вложивших наибольший вклад в решение соответствующих проблем. В представленном на конференции (г. Красноярск, 1-3 октября 2015 г.) докладе рассмотрены вопросы, имеющие прямое отношение к проблеме исследования переходных про-

1 Статья подготовлена с использованием результатов исследований по конкурсному проекту фундаментальных исследований УрО РАН на 2015-2017 гг. №15-11-5-7.

65

цессов в развитии техники и технологии освоения сложно-структурных глубокозалегающих месторождений, поэтому в приведенном списке литературы отражены взгляды автора и его соавторов именно на указанную в названии статьи проблему.

В табл. 1 приведен последовательный ряд этапов, характеризующихся социально-экономическими условиями развития горнодобывающих отраслей промышленности и основных направлений научных исследований, которые были наиболее актуальны и соответствовали целям разработки научных основ проектирования, строительства и эксплуатации шахт, рудников и карьеров, горно-обогатительных комбинатов.

К середине 70-х годов на большинстве глубоких карьеров железорудных горно-обогатительных комбинатов наметилось и возрастало отставание фактических объемов добычных и, особенно, вскрышных работ от проектных, возникли сложности со вскрытием глубоких горизонтов. Причины этих явлений оказалось в основном две: несовершенство методов проектирования и отставание в развитии транспортных систем карьеров от необходимых темпов понижения горных работ с ростом глубины карьеров. Решению этих проблем были посвящены работы [3, 4].

С началом перестройки в стране и последующего изменения социально-экономических условий, переходом от плановой к рыночной экономике перед горной наукой и горным производством встали новые задачи, и хотя публикации этого периода еще предлагали решение проблем открытых и подземных разработок, необходимым был новый методологический подход к решению проблемы освоения недр.

Новый этап развития горных наук, в том числе в методологии выполнения исследований, связан с изданием коллективной монографии «Освоение и сохранение недр Земли» [6].

Современный этап развития горного дела характеризуется необходимостью создания технологий и техники для вскрытия и отработки глубоких горизонтов действующих горных предприятий и освоения новых месторождений, в т.ч. в Северных регионах страны.

Особую сложность освоения представляют глубокозалегаю-щие сложноструктурные месторождения, в процессе освоения которых в связи с нарастанием информации о геологических

66

Таблица 1

Этапы развития технологий и методологии освоения недр России и стран СНГ

Годы Особенности этапов развития горного дела Основные направления научных исследований

1945-1960 гг. Послевоенный период восстановления и развития народного хозяйства Научные основы проектирования и строительства комплексно-механизированных предприятий

1960-1975 гг. Интенсивное развитие открытых горных разработок, строительство крупных горно-обогатительных комбинатов для обеспечения сырьем заводов черной и цветной металлургии, строительство угольных разрезов большой мощности Научное обоснование приоритетного развития открытых разработок, зарождение методов экономико-математического моделирования, ЭВМ для планирования и управления производством на карьерах

1975-1987 гг. На основе анализа опыта эксплуатации ГОКов установлено отставание фактических объемов добычи и вскрыши от проектных Необходимость новых подходов к исследованию, проектированию и планированию горных работ, схем вскрытия, систем разработки, формированию транспортных систем карьеров с учетом роста их глубины

1987-1996 гг. Изменение социально-экономических условий. Переход от плановой к рыночной экономике. Резкое снижение объемов добычных и вскрышных работ Необходимость разработки принципиально новых подходов к исследованию и решению проблем горного производства

1997-2007 гг. Восстановление объемов добычи полезных ископаемых на действующих ГОКах. Дефицит рудного сырья на Урале и необходимость завоза товарной руды на металлургические предприятия из других регионов Новый этап в развитии горных наук: «Освоение и сохранение недр». Классификация горных наук

2007-2014 гг. Освоение глубоких горизонтов на действующих горных предприятиях и новых месторождениях, в т.ч. в северных регионах УрФО и ДФО Программно-целевые методы исследований на основе принципов системности, комплексности, междисци-плинарности и инновационной направленности

2014 г. - современный период Нарастание информации о месторождении и принятие основных технологических решений. Освоение новых минерально-сырьевых центров Исследование переходных процессов и учет закономерностей их развития при разработке инновационных технологий оценки, добычи и рудоподготовки минерального сырья

67

параметрах залежей полезных ископаемых и вмещающих пород в связи с ростом глубины, требуется уточнение кондиций и пересчет запасов, изменение границ поэтапной разработки, переход на новые технологии добычи и переработки минерального сырья (табл. 2).

Основным направлением развития горных наук является применение программно-целевых методов исследований на основе принципов системности, комплексности, междисциплинарно-сти и инновационной направленности [11].

При этом тематика публикаций связана с учетом особенностей формирования новых горнопромышленных комплексов, в том числе северных регионов [10, 12], новых подходов к обеспечению устойчивого развития горного производства.

Таблица 2

Нарастание информации о месторождении и принятие основных технологических решений

Этапы разведки Результаты Принимаемые решения

Предварительная Обоснование кондиций. Подсчет запасов по категориям С и С2 Разрабатывается ТЭД: обосновывается целесообразность освоения, способ разработки, технологии добычи и переработки, степень и характер комплексности месторождения, определяются ТЭП добычи, обогащения и металлургического передела

Детальная Уточнение геологического строения, форм, условий залегания тел полезного ископаемого, его качества, гидрогеологических и горнотехнических условий предполагаемой разработки. Перевод запасов категорий С1 и С2 в категории А и В При положительной оценке принимается решение о проектировании горного предприятия. Основные геологические параметры, определяющие выбор способа разработки, техники и технологии добычи и переработки, принимаются обычно с ошибками вследствие недостаточной достоверности информации

Эксплуатационная, ведется весь период отработки месторождения Устранение неопределенности в геологической обстановке Планирование добычи полезного ископаемого по сортам, корректировка типоразмеров горных машин и технологии добычи, режимов усреднения и обогащения

68

В число актуальных направлений дальнейших исследований проблем освоения недр является исследование переходных процессов и учет закономерностей их развития при разработке инновационных технологий оценки, добычи и рудоподготовки минерального сырья.

Процессы, связанные с выполнением совокупности технологических, технических и организационных действий при изменении границ извлекаемых запасов, способа их добычи и переработки, параметров технологий, заменой технических средств, реконструкцией предприятия, модернизацией оборудования и т.п. принято называть переходными.

К числу наиболее значимых научных, технологических и организационно-технических вопросов, решаемых при проектировании и разработке сложноструктурных месторождений большой глубины, требующие исследования переходных процессов относятся:

1. Оценка объема и качества запасов, принятие решения о целесообразности их комплексного освоения.

2. Обоснование способа разработки глубокозалегающего месторождения и возможности (целесообразности) перехода от открытого к подземному или комбинированному способу.

3. Обоснование границ карьера, его глубины, углов откоса бортов, последовательность развития рабочей зоны, выделение этапов разработки.

4. Формирование транспортной системы карьера во взаимосвязи с развитием карьерного пространства и его рабочей зоны, применение новых видов, технических средств и схем транспорта с заменой действующих, но чаще в дополнение к ним.

5. Поэтапная разработка месторождений, формирование временно нерабочих бортов карьеров и последующая их разработка с использованием специальных технологий и технических средств взрывания, экскавации, транспорта.

6. Вскрытие новых горизонтов, в том числе с возможным изменением физико-механических свойств и вещественного состава слагающих их горных пород.

7. Разработка месторождений сложного геологического строения залежей основного полезного ископаемого при наличии попутных полезных компонентов, значительной изменчивости их содержания и других свойств, требующие селективной раз-

69

работки, усреднения и периодического изменения параметров систем разработки, рудоподготовки и обогащения.

8. Переходные процессы, связанные с изменением физико-механических свойств многолетнемерзлых горных пород (фазовые переходы при изменении температуры воздуха от +40 °С до -60 °С), в том числе в бортах карьеров и в стволах подземных рудников.

Исследование переходных процессов, установление причин их возникновения, понимание сущности происходящих изменений и закономерностей их развития в конкретных горногеологических и горнотехнических условиях является основой создания стратегии управления этими процессами в течение всего срока отработки месторождения.

Одной из главных причин необходимости исследования переходных процессов в технике и технологии горно-обогатительного производства минерального сырья является высочайшая степень зависимости от природной изменчивости геологических параметров глубокозалегающих сложноструктурных месторождений, информация о которых нарастает по мере развития горных работ, что требует, наряду с изменением горнотехнических условий, периодического перехода на новые параметры техники и технологии с целью адаптации к изменяющимся условиям функционирования горнообогатительного производства.

Необходимость исследования переходных процессов в технологии добычи и переработки полезных ископаемых на отдельных этапах, технологических процессах давно начала назревать, и в отдельных разделах горной науки и производства находились решения адаптации технологии к изменяющимся условиям разработки месторождений, но сегодня это становится актуальной проблемой.

К числу факторов природной изменчивости геологических параметров сложноструктурных месторождений, обосновывающих необходимость исследования и учета переходных процессов в технологии их разработки относятся следующие их особенности [5]:

1. Залегают в виде жил, линз, пластов переменной мощности.

2. Тела полезного ископаемого содержат включения пустых пород или некондиционных руд разных размеров и формы, осложнены складчатыми или разрывными тектоническими нарушениями.

70

3. Мощность и элементы залегания, устойчивость горных пород, их трещиноватость, естественная блочность, сложность, пределы прочности и деформационные свойства меняются в широких пределах.

4. Изменяется качественный состав полезного ископаемого, имеет место закономерная или случайная зональность общего баланса минералов, высокая неравномерность их содержания и гранулометрического состава от сплошных до тонковкра-пленных руд.

Все это требует детальной геометризации размещения полезного ископаемого в недрах и учета при выборе горной техники и технологии, адаптивных к изменениям геологической среды, планирования горных работ в режимах селективной выемки и усреднения, создания инновационных технологий добычи и рудо-подготовки с учетом закономерностей переходных процессов при изменении условий функционирования горнообогатительного предприятия.

При освоении месторождений в Северных и Северо-Восточных регионах на неосвоенных территориях строительство и эксплуатация горно-обогатительных предприятий требует создания инфраструктуры обеспечения транспортом, энергией, кадрами, материалами, социальными объектами.

При проектировании технологий освоения северных месторождений следует предусматривать:

- этапность ведения горных работ;

- высокопроизводительное мощное оборудование, техника в северном исполнении;

- поэтапный перевод горного оборудования с дизельным приводом на электрический;

- выделение технологических зон с учетом кластерного строения рудных залежей;

- организация системы эксплуатационного опробования с целью оптимизации процессов рудоподготовки и обогащения;

- комплексное использование недр за счет извлечения максимума полезных компонентов и утилизации пород вскрыши и отходов обогащения;

- комплексный подход к развитию горного и машиностроительного комплексов;

71

- опережающие или параллельные оценки, позволяющие заблаговременно использовать результаты работ при выработке решений, рекомендаций или формулировании основных ограничивающих условий недропользования.

Заключение

1. Стратегия освоения глубокозалегающего сложноструктур-ного месторождения — долгосрочный план действий на всех этапах разведки, проектирования и разработки месторождения до получения товарной продукции на основе методологического подхода на принципах системности, комплексности, междисци-плинарности и инновационной направленности, учитывающих нарастание геологической информации о месторождении при принятии заранее спланированных технологических и технических решений в качестве реакции на изменения внутренних и внешних условий функционирования горного предприятия, включая исследование переходных процессов и учет закономерностей их развития при принятии инновационных технологий оценки, добычи, рудоподготовки и обогащения минерального сырья.

Переходные процессы — технические, технологические и организационные действия при реализации принимаемых инновационных решений по адаптации горнотехнической и организационно-технологической системы предприятия к изменяющимся условиям его функционирования.

2. В истории освоения каждого месторождения полезных ископаемых неизменно выделяются три основных периода: разведка, проектирование и разработка, в каждом из них, в свою очередь, можно выделить несколько этапов принятия технических, технологических и иных решений, обусловленных нарастанием геологической информации и изменением горнотехнических условий по мере роста глубины извлекаемых запасов, достижений технического прогресса в горнообогатительном производстве и смежных отраслях, с учетом мировых тенденций в производстве и потреблении минерального сырья и других внешних факторов.

3. За сравнительно короткий исторический период послевоенного развития горного производства можно выделить несколько этапов развития технологий и методологии освоения

72

недр России и стран СНГ, характеризующиеся особенностями развития горного дела и основными направлениями научных исследований (см. табл. 1).

4. К числу актуальных направлений постановки и решения проблем освоения недр на современном этапе следует отнести исследование переходных процессов и учет закономерностей их развития при разработке инновационных технологий оценки, добычи и рудоподготовки минерального сырья с целью выбора оптимальной стратегии разработки глубокозалегающих месторождений.

5. ИГД УрО РАН предложены новые подходы к освоению минерально-сырьевых ресурсов северных и северо-восточных регионов России:

- разработка стратегии ускоренного поэтапного освоения недр региона: комплексное изучение и разведка месторождений, создание системы геоинформационного обеспечения с целью моделирования месторождений и программных комплексов для решения создания горнотехнических систем;

- принцип комплексного освоения территорий;

- организация минерально-сырьевых центров и налаживание открытой инфраструктуры эксплуатирующих предприятий;

- применение техники большой единичной мощности с целью снижения численности производственного персонала;

- широкое применение покупных услуг и арендных предприятий при выполнении вспомогательных процессов, напрямую не связанных с основным производством.

6. Предлагаются следующие методологические подходы и научно-организационные мероприятия по эффективному освоению недр при освоении месторождений в новых регионах:

- разработать Программу освоения и развития минерально-сырьевой базы на период до 2030-2050 гг.;

- провести геолого-эколого-экономическую оценку месторождений, находящихся в эксплуатации, проектируемых и подлежащих доразведке и последующему освоению с учетом запасов по категориям А, В и С1 и С2;

- выделить объекты первоочередного освоения по основным видам минерального сырья с учетом состояния и перспектив развития инфраструктуры, отдавая предпочтение комплексному

73

освоению территорий путем создания минерально-сырьевых центров;

- технологический аудит на действующих горных предприятиях, разработать инновационные технологии оценки, добычи, рудоподготовки, обогащения и производства товарной продукции с учетом внутренней и внешней потребности в сырье и ценовой перспективы, в том числе с учетом перспектив развития МСБ.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Яковлев В.Л. Исторический опыт развития научных идей методологических подходов к обоснованию технологий, параметров горных работ/ В.Л. Яковлев // Проблемы недропользования. — № 3 [Электронный ресурс]: рецензируемый сборник научный статей. — Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2014. — С.15-26.

2. Яковлев В.Л. Определение момента перехода на новый вид транспорта с использованием модели совмещенных функций / В.Л. Яковлев, В.С. Славинский // Труды ИГД МЧМ СССР. — Вып. 43. — Свердловск, 1974. — С. 21-24.

3. Яковлев В.Л. Исследование закономерностей поэтапного развития горных работ при разработке крутопадающих месторождений полезных ископаемых / В.Л. Яковлев, А.Ф. Калугин // Добыча и обогащение асбестовых руд. — Асбест, 1981. — С. 14-22. — (Научные труды ВНИИпро-ектасбест. — Вып. 23).

4. Яковлев В.Л. Теория и практика выбора транспорта глубоких карьеров / В.Л. Яковлев. — Новосибирск: Наука СО, 1989. — 238 с.

5. Батугин С.А. Закономерности развития горного дела / С.А. Батугин, В.Л. Яковлев; [отв. ред. и авт. предисл. Е.Н. Чемезов]; ИГДС СО РАН. — Якутск: ЯНЦ СО РАН, 1992. — 116 с.

6. Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли / К.Н. Трубецкой, Ю.Н. Малышев, Л.А. Пучков, В.Л. Яковлев и др. — М.: Изд-во Академии горных наук, 1997. — 478 с.

7. Яковлев В.Л. Методические подходы к учету общих закономерностей и региональных особенностей при выборе стратегии освоения месторождений полезных ископаемых / В.Л. Яковлев, С.В. Корнилков // ГИАБ. — 2007. — ОВ15: Дальний Восток-2. — С. 22-31.

8. Яковлев В.Л. О роли прогноза геологических, технологических и социально-экономических условий освоения месторождений в обеспечении устойчивого инновационного развития горного производства / В.Л. Яковлев // Проблемы и пути эффективной отработки алмазоносных месторождений: сб. докл. междунар. науч.-практ. конф. Мирный, 2011 / Якутнипроалмаз. — Новосибирск: Наука, 2011. — С. 73-79.

74

9. Особенности формирования горнопромышленных комплексов Дальневосточного и Уральского регионов / С.В. Корнилков, В.Л. Яковлев, Ю.А. Мамаев, А.П. Ван-Ван-Е // Известия вузов. Горный журнал. — 2012. — № 6. — С. 4-11. (Конкурсный проект 12-С.5-1008 УрО РАН и 12-П-УО-08-016 ДВО РАН).

10. Яковлев В.Л. Современные тенденции и особенности освоения месторождений полезных ископаемых в сложных горно-геологических и природно-климатических условиях / В.Л. Яковлев, С.В. Корнилков // Геомеханические и геотехнологические проблемы эффективного освоения месторождений твердых полезных ископаемых северных и северо-восточных регионов России: труды Всерос. науч.-практ. конф., посвящ. памяти Новопашина М.Д. (г. Якутск, 13-15 сент. 2011 г.). — Якутск: Изд-во Ин-та мерзлотоведения СО РАН, 2011. — С. 16-22. — (Программа Президиума РАН № 14 и ОНЗ РАН № 3 2011 г.).

11. Яковлев В.Л. Методологические особенности освоения недр на современном этапе / В.Л. Яковлев, С.В. Корнилков // Вестник УрО РАН. Наука. Общество. Человек. — 2013. — № 4. — С. 43-49. — (Программа № 27 Президиума РАН).

12. Систематизация условий размещения и освоения природных и техногенных объектов минерального сырья Уральского и Дальневосточного федеральных округов / В.Л. Яковлев, С.В. Корнилков, Ю.В. Лаптев, Ю.А. Мамаев, А.П. Ван-Ван-Е, Г.Ф. Склярова // ГИАБ: Дальний Восток. — 2013. — ОВ4. — С. 257-272. — (Конкурсн. проекты 12-С-5-1008 и 12-П-УО-08-016 ДВО РАН).

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Яковлев Виктор Леонтьевич — чл.-корр. РАН, д-р техн. наук, проф., советник РАН, ИГД УРО РАН, Екатеринбург, e-mail: yakovlev@igduran.ru

UDC [622.014.3:553.042]:001.89

UNSTEADY-STATE PROCESSES IN GEOTECHNOLOGY FOR COMPLEX-STRUCTURE MINERAL DEPOSITS

Yakovlev Victor L., Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, Doctor of Engineering Sciences, Professor, Counsellor of the Russian Academy of Sciences, Institute of Mining, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Ekaterinburg, e-mail: yakovlev@igduran.ru

The article addresses issues of further development in methodological approaches to deep-level complex-structure mineral mining, considering growth in geological data capture as mining is advanced and taking into

75

account the need to change mine-technical system parameters based on the systems concept, omnitude, interdisciplinarity and innovation with regard to unsteady-state processes to be studied in elaboration of innovative methods of mineral appraisal, mining and processing. Furthermore, the author lists the most significant scientific, technological and organizational-technical issues to be handled in mine planning and mineral extraction at complex-structure deposits, which calls for the analysis and inclusion of unsteady-state processes.

Key words: complex-structure deposits, unsteady-state processes, comprehensive surface and subsoil development.

References

1. Yakovlev V.L. Experience of development in scientific conception of methodological approaches to substantiation of mining technologies and parameters in history, Problems of Subsoil Use (E-Resource): Peer-Reviewed Collection of Scientific Papers, Ekaterinburg, IGD UrO RAN, 2014, pp. 15-26.

2. Yakovlev V.L., Slavinsky V.S. Determination of time of transition to a new transport type using the model of superimposed functions, Proceedings of the Institute of Mining, USSR Ministry of Iron Industry, Sverdlovsk, 1974, issue 43, pp. 21-24.

3. Yakovlev V.L., Kalugin A.F. Analysis of mechanisms of stage-wise mining advance at steep mineral deposits, Asbestos Ore Mining and Processing—Asbestos: Transactions, VNIIproektasbest, 1981, issue 23, pp. 14-22.

4. Yakovlev V.L. Theory and Practice of Choosing Transport for Deep Open Pit Mines, Novosibirsk, Nauka SO, 1989, 238 p.

5. Batugin S, A., Yakovlev V.L. Development of Mining, Yakutsk, IGDS SO RAN-YaNTs SO RAN, 1992, 116 p.

6. Trubetskoy K.N., Malyshev Yu.N., Puchkov L.A., Yakovlev V.L. et al. Mining Sciences. Development and Preservation of the Earth's Interior, Moscow, Izd. Akad. Nauk, 1997, 478 p.

7. Yakovlev V.L., Kornilkov S.V. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2007, no. OV15, pp. 22-31.

8. Yakovlev V.L. Problems and Methods of Efficient Diamond Mining, International Conference Proceedings, Novosibirsk, Nauka, 2011, pp. 73-79.

9. Kornilkov S.V., Yakovlev V.L., Mamamev Yu.A., Van-Van-E A.P. Mining Journal, 2012, no. 6, pp. 4-11.

10. Yakovlev V.L., Kornilkov S.V. Geomechanical and Geotechnological Problems of Efficient Mineral Mining in the North and Northeast of Russia. Proceedings of the All-Russia Conference in Memory of M.D. Novopashin, Yakutsk, Inst. Merzlotoved. SO RAN, 2011, pp. 16-22.

11. Yakovlev V.L., Kornilkov S.V. Bulletin of the Ural Branch RAS, 2013, no. 4, pp. 43-49.

12. Yakovlev V.L., Kornilkov S.V., Laptev Yu.V., Mamaev Yu.A., Van-Van-E A.P., Sklyarova G.F. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2013, no. OV4, pp. 257-272.

76