CC BY
100
УДК 622.275 Д.Р. Каплунов
ПЕРСПЕКТИВА КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ НЕДР - КОМБИНИРОВАННЫЕ ГЕО ТЕХНОЛОГИИ*
Показано, что перспектива комплексного освоения рудных месторождений связана с вовлечением в эксплуатацию наряду с балансовыми запасами залежей бедных руд, техногенного сырья путем реализации комбинированных геотехнологий, базирующихся на сочетании технологических процессов различных способов добычи в едином завершенном цикле. Описаны технологии извлечения георесурсов рациональным сочетанием технологических процессов и оборудования различных способов добычи с утилизацией отходов горнометаллургического производства в закладке выработанного пространства. Даны способы управления качеством потоков извлекаемого из недр минерального сырья сложного вещественного состава и различного агрегатного состояния. Определены основные направления развития комбинированной геотехнологии.
Ключевые слова: комплексное освоение, комбинированные геотехнологии, завершенный цикл, утилизация, закладка выработанного пространства, управление качеством, минерально-сырьевые потоки, техногенные образования.
Семинар № 18
~ШЪ многообразных горно-геологических условиях залегания -Я-М рудных залежей при высокой степени неопределенности факторов внешней и внутренней среды развитие геотехнологии должно базироваться на накопленном опыте реализации наиболее эффективных и безопасных технологических решений, а также на разработке и внедрении новых прогрессивных технологических схем, обеспечивающих повышение полноты и комплексности освоения недр. Обеспечить полноту и комплексность освоения месторождений с вовлечением в эксплуатацию бедных руд, техногенного сырья возможно только на основе сочетания технологических процессов различных способов добычи в едином завершенном цикле комбинированной геотехнологии.
Комплексное освоение недр базируется на реализации двух неотъемлемых положений - это безотходное (малоотходное) использование всех вовлекаемых в ходе освоения участка недр георесурсов и извлечение их рациональным сочетанием технологиче-
*Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 09-05-00675-а
ских процессов и оборудования различных способов добычи с утилизацией отходов горно-металлургического производства в закладке выработанного пространства, использовании последних при рекультивации территорий, в промышленном и дорожном строительстве, при создании горных объектов нового производственного назначения.
Крупным шагом в этом направлении является переход горнодобывающих предприятий на совместную деятельность подземных рудников и карьеров - комбинированный способ разработки. Комбинированные геотехнологии, основанные на различных сочетаниях во времени и пространстве в пределах одного месторождения технологических процессов открытого и подземного способов добычи, нашли достаточно широкое применение в практике горных работ. При этом для вскрытия запасов, подлежащих добыче подземными технологиями, используются традиционные варианты вскрытия выработками, располагаемыми за пределами зон сдвижения. В этой связи, создание единой схемы вскрытия и подготовки запасов на различных этапах открытых и подземных работ стало основой комбинированной разработки. При этом карьерные транспортные системы и сам карьер необходимо рассматривать как вскрывающие выработки для запасов, подлежащих подземной отработке, а вскрывающие подземные выработки - как вариант вскрытия глубоких горизонтов карьера.
Развитие комбинированного способа разработки месторождений в ряде случаев сдерживается применением раздельных технологических решений на открытые и подземные горные работы. Так, например, принятые и широко апробированные в практике горных работ методики обоснования производственной мощности предприятия и выбора рациональных комплексов механизации открытых и подземных технологий не учитывают специфики отработки запасов переходной зоны от открытых горных работ к подземным, что приводит к нерациональному использованию имеющегося на руднике оборудования, а также к снижению интенсивности и качества извлечения рудной массы системами разработки с массовым выпуском. В связи с этим, необходимо изыскание технологических решений, направленных на обоснование интенсивности добычи руды в переходной зоне с учетом возможностей современных высокопроизводительных комплексов механизации и рациональных способов управления качеством рудной массы при едином методи-
ческом подходе к проектированию горнотехнической системы комбинированной геотехнологии.
Качество добываемых георесурсов является одним из важнейших аспектов комплексного освоения минерально-сырьевой базы и должно рассматриваться как среднее содержание в них полезного компонента в сочетании со стабильностью этого показателя. Формирование рациональных качественных характеристик добываемого сырья зависит от выбора схемы выемки - валовой или селективной. Решение этой задачи приобретает принципиально новое значение с точки зрения обоснования эффективной стратегии при комплексном освоении месторождений. При ее решении необходимо учитывать такие задачи, как определение наиболее целесообразной очередности извлечения разносортных запасов и обоснование оптимального соотношения их объемов, а также выбор схемы вскрытия, отвечающий этим требованиям.
В этом отношении комбинированный способ разработки месторождений позволяет создавать благоприятные условия для формирования комплексных схем рудопотоков в сочетании с использованием различных вариантов способов выемки - валовой и селективной на открытых, открыто-подземных и подземных горных работах. При этом, как показывают результаты проведенных исследований, формирование комплексных схем рудопотоков должно осуществляться с учетом совокупности факторов, оказывающих влияние на изменение качества минерального сырья, а выбор способа управления качеством рудопотоков на различных этапах освоения месторождения комбинированной геотехнологией следует осуществлять с учетом изменения содержания, контрастности, ценности и соотношения богатых, рядовых и бедных руд по глубине и площади месторождения в установленной последовательности открытых, открыто-подземных и подземных горных работ.
Несмотря на преимущества применения комбинированного открыто-подземного способа добычи, принятые в настоящее время в проектах решения не всегда позволяют вовлечь в эффективную отработку все промышленные запасы руд. В подземном пространстве за проектным контуром в бортах и основании карьеров остаются выклинивающиеся в массиве и распределённые по периметру рудные участки; в шахтных полях не полностью отрабатываются бедные руды и маломощные рудные залежи, отдаленные локаль-
ные рудные тела, запасы, расположенные в неблагоприятных горно-геологических условиях.
Эффективное вовлечение таких запасов в промышленное освоение возможно путем применения различных комбинаций физико-технических, физико-химических способов добычи, а также совершенствования технологии повторной разработки месторождений и специальных способов добычи.
При этом в едином комплексном проекте решаются вопросы поэтапного вовлечения в эксплуатацию отдельных участков недр с оптимизацией во времени и пространстве последовательности реализации сочетаний процессов комбинированной геотехнологии отработки природных залежей и сопутствующих техногенных образований, с использованием сформированных открытыми и подземными работами выработанных пространств.
Создание горнотехнических систем на базе комбинации традиционного открытого и подземного способов добычи с процессами физико-химической геотехнологии на основе кучного и подземного выщелачивания ценных компонентов из бедных руд и техногенного сырья, в особых геомеханических и гидрологических условиях с процессами гидродобычи, а в отдельных случаях для отработки маломощных рудных тел и жил со специальными геотехнологиями извлечения рудного керна при бурении скважин большого диаметра обеспечивает наиболее полное вовлечение всех природных и техногенных георесурсов в эффективное промышленное использование.
Применение таких технологий связано с рассмотрением не только рудопотоков, но и минерально-сырьевых потоков, характеризующихся сложным вещественным составом и различным агрегатным состоянием, для которых необходимо изыскание новых эффективных способов управления качеством и обоснования их параметров на различных этапах освоения месторождений. Исходя из этого, совершенствование способов управления качеством добываемого минерального сырья должно базироваться на таком принципе, который учитывает: вид комбинированной геотехнологии, тип горнотехнической системы, вещественный и агрегатный состав потоков, а также тип основных вскрывающих выработок. Вид комбинированной геотехнологии следует определять сочетанием физико-технических и физико-химических способов добычи. При этом к физико-техническим технологиям относятся горнотех-
нические системы, включающие сочетание традиционных - открытого и подземного способов добычи, а также на отдельных участках нетрадиционных методов, таких как, например, скважинная гидродобыча или выбуривание руды скважинами большого диаметра как с поверхности, так и из подземных выработок. К физико-химическим -выщелачивание подземное, скважинное, кучное, дегазация выплавка в сочетании с выщелачиванием бедных руд и техногенных отходов на поверхности, в выработанном пространстве карьера и подземных выработок.
Необходимо также отметить, что различные комбинации физико-технических и физико-химических геотехнологий создают дополнительные возможности по повышению качества некондиционных руд путем их обогащения на месте залегания. Технология освоения предусматривает разделение рудных тел на донорские и акцепторные, выщелачивание донорских тел, благоприятных по вещественному составу, на месте залегания, сбор продуктивного раствора, транспортирование его к акцепторным рудным телам и обогащение последних на месте залегания путем переосаждения выщелоченных ранее ценных компонентов из растворов в объеме акцепторных рудных тел. Обогащенный таким образом массив разрабатывается аналогично балансовым запасам месторождения.
Данные технологии пока не нашли широкого промышленного применения на горнодобывающих предприятиях. Основная причина - отсутствие апробированных в промышленных масштабах технологий, а также нормативной документации по их проектированию.
В настоящее время при ужесточении требований к охране недр и окружающей среды (увеличение экологических платежей), становятся актуальными проблемы захоронения отходов горнообогатительного производства тем более, что затраты на подземное захоронение в виде закладки сопоставимы с затратами на складирование в поверхностных хвостохранилищах. При этом необходимо учитывать, что вещественный состав отходов переработки, накопленных на предприятиях в большом объеме, характеризуется достаточно высоким содержанием ценных компонентов, извлечение которых возможно путем применения физико-химических методов. Разработка и реализация эффективной технологии переработки хвостов является основой для перевода хвостохранилища из категории хранилищ отходов, состоящих на балансе предприятия, в
категорию «техногенные месторождения», что позволит сократить экологические платежи предприятия. Поэтому решение проблемы предполагает выбор технологических решений, направленных на целенаправленное формирование техногенных месторождений еще на стадии эксплуатации предприятий.
Утилизация отходов после выщелачивания в качестве компонентов закладочной смеси, отвечает также тенденции увеличения доли систем с закладкой выработанного пространства, являющихся, как известно весьма перспективным направлением комплексного освоения рудных месторождений.
Применение твердеющей закладки позволяет надежно обеспечить управление горным давлением, уменьшить площадь изымаемых сельскохозяйственных угодий для горных отводов и предохранить земную поверхность от оседания. Одним из главных факторов, сдерживающих область применения закладки, является ее высокая стоимость, основную долю которой (до 60%) составляют затраты на исходные материалы, что существенно влияет на экономические показатели рудников. В этой связи изыскание составов закладочных смесей на основе отходов переработки, местных материалов и подбора химических добавок, способствующих улучшению технологических свойств искусственного массива и удешевлению закладочных работ в целом, есть и будет в ближайшем будущем актуальной проблемой.
Для всех способов разработки месторождений характерно воздействие на биосферу, затрагивающее практически все её элементы: водный и воздушный бассейны, землю, недра, растительный и животный мир.
Это воздействие может быть как непосредственным (прямым), так и косвенным, являющимся следствием первого. Размеры зоны распространения косвенного воздействия значительно превышают размеры зоны локализации прямого воздействия и, как правило, в зону распространения косвенного воздействия попадает не только элемент биосферы, подвергающийся непосредственному воздействию, но и другие элементы.
В процессе подземной разработки образуются и быстро увеличиваются пространства, нарушенные горными выработками, отвалами пород и отходов переработки, представляющие собой бесплодные поверхности, отрицательное влияние которых распространяется на окружающие территории.
В связи с осушением месторождений и сбросом дренажных и сточных вод (отходов переработки полезных ископаемых) в поверхностные водоёмы и водотоки резко изменяются гидрогеологические и гидрологические условия в районе месторождения, ухудшается качество подземных и поверхностных вод.
В настоящее время не представляется возможным дать сравнительную количественную оценку влияния на окружающую среду горного производства и других видов деятельности человека, поскольку отсутствуют научно-методические основы для такого сравнения. Применение же различных частных критериев не позволяет получить однозначный ответ на этот вопрос.
Так, если сравнивать абсолютные затраты на строительство очистных сооружений в цветной и чёрной металлургии, теплоэнергетической и горнодобывающей промышленности, то наибольшие затраты приходятся на теплоэнергетику. По относительной доле этих затрат в общих капиталовложениях на первое место выходит цветная металлургия.
Превращение проблемы национального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды в важнейшую общегосударственную проблему требует в области горного дела развития как перспективных технологий, в том числе и совершенствование применяемых, так и принципиально новых, исследования, в которых практически не проводились. Таковыми в ближайшем будущем являются нанотехнологии.
Уже сейчас существует достаточно много перспективных направлений, в которые вкладываются значительные средства, что касается горного дела, то пока в России начаты исследования практически только в области обогащения минерального сырья. Планируется разработка взрывчатых материалов, оторые смогут использоваться в горной промышленности с областью применения практически в любых условиях.
Нанотехнологии могут использоваться и при создании закладочных смесей, свойства которых на наноуровне позволят коренным образом изменить долю применения систем с искусственным поддержанием очистного пространства при освоении рудных месторождений и подход к подбору компонентов, необходимых для обеспечения требуемых прочностных характеристик закладочного массива.
Известно, что при реализации процессов выщелачивания тонкодисперсного природного и техногенного сырья, одной из про-
блем является укладка предварительно окомкованного материала с сохранением его структуры. Обеспечить требуемые прочностные характеристики окатышей без повышенного расхода вяжущего, который, как правило, отрицательно влияет на фильтрационные характеристики, возможно путем изменения свойств окатышей на наноуровне. Применение нанотехнологий целесообразно и при создании наноматериалов для принципиально новых видов крепления подземных горных выработок различного назначения. Широкие перспективы применения нанотехнологий связаны с разработкой составов комплексных растворителей минералов для выщелачивания ценных компонентов из руд и техногенного сырья сложного вещественного состава, а также с новых материалов, способных селективно сорбировать переведенные в продуктивные растворы элементы.
Таким образом, перспективы разработки рудных месторождений должны быть связаны с такой методологией проектирования, которая базируется на всестороннем учете и адекватном отображении проектируемых объектов с прогнозными показателями освоения недр и технического прогресса. Такая методология позволяет перейти к научно-обоснованному выбору геотехнологической стратегии комплексного освоения месторождений различными способами или их рациональным сочетанием во времени и пространстве.
Последовательность и параметры реализации технологических процессов должны быть определены на основе оптимизационного моделирования показателей функционирования всех технологических подсистем с установлением времени вовлечения в промышленную эксплуатацию отдельных участков недр, сформированных выработанных пространств и техногенных образований.
Решение проблем комплексного освоения рудных месторождений возможно двумя путями:
- совершенствование применяемых технологических решений с обоснованием их рациональных параметров с целью повышения полноты, комплексности и обеспечения экологической и промышленной безопасности горных работ;
- создание принципиально новых инновационных геотехнологий и технологических схем освоения недр, основанных на проведении научно-исследовательских и проектно-конструк-торских работ с целью качественного изменения технических и экономиче-
ских показателей горного производства; получения новых видов продукции.
Реализация основных направлений комплексного освоения рудных месторождений позволит:
- повысить качество и уровень извлечения полезных компонентов из недр, а также объемы дополнительной товарной продукции;
- рассматривать целенаправленно сформированные хранилища отходов, как техногенные месторождения, которые могут быть эффективно освоены методами физико-химической геотехнологии.
Таким образом, изменение подхода к освоению рудных месторождений существенно расширяет минерально-сырьевую базу горнодобывающих предприятий, решает вопросы вскрытия, подготовки запасов к очистной выемки кондиционных и некондиционных руд в зависимости от применяемой геотехнологии и особенностей использования накопленных и текущих техногенных образований в завершенном цикле комплексного освоения участка недр.
D.R. Kaplunov Corresponding member RAS
COMBINED GEOTECHNOLOGIES AS A PROSPECT OF COMPREHENSIVE EXPLOITATION OF THE BOWELS
This paper shows, that prospect of comprehensive development of ore deposits is associated with involving in exploitation low-grade ores and anthropogenic mineral resources by means of combined geotechnologies based on combination of works of different mining methods making a close integrated circuit. Technologies of extracting resources by rational combination of technological processes and equipment of different mining methods with recycling of mining wastes in backfill mixtures were described. Methods of quality management of ore material extracted from the bowels which has complex composition and which is presented in different aggregative states are designed. Main trends of development of combined geotechnologies were defined.
Key words: comprehensive exploitation, combined geotechnologies, closed cycle, recyling, stope backfill, quality management, mineral raw material flows, anthropogenic formations
— Коротко об авторе ---------------------------
Каплунов Д.Р. - Член-корр. РАН, УРАН ИПКОН РАН.
-------------------------------------------- © Е.В. Кузьмин, А.В. Баранов,
2G1G
УДК 622:55
