CC BY
25
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ
горного производства;
I: © А.Е. Смолдырев, 2000
УДК 622:014.3:502.76 А.Е. Смолдырев
ПРИНЦИПЫ ПРИРОДООХРАННОЙ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ МАЛЫХ РУДНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ
П
ерспективным направлением пополнения и повышения эффективности использования сырьевых ресурсов цветных металлов РФ является вовлечение в эксплуатацию неосваемых в настоящее время месторождения с небольшими разведанными запасами руд, особенно расположенных вблизи действующих горнодобывающих предприятий. Практически этому источнику сырьевых ресурсов до последнего времени не уделялось должного внимания, хотя актуальность решения данной проблемы подтверждается тем Фактом, что имеет место дефицит сырьевых ресурсов цветных, редких и благородных металлов, а резервы удовлетворения спроса на действующих предприятиях в недалеком будущем будут исчерпаны.
Ниже, на основе наработок по данной проблеме в Гипроцветмете и в Московской государственной геологоразведочной академии изложены принципы природоохранной разработки малых рудных залежей с привлечением нетрадиционных технических и технологических решений.
Имеются в виду месторождения малого масштаба, залегающие на относительно небольшой глубине, освоение которых не потребует больших капитальных затрат. В РФ таких месторождения насчитывается около 100.
Можно указать факторы, способствующие освоению малых рудных залежей:
• расположение вблизи действую-
щих горнодобывающих предприятий и крупных населенных пунктов;
• повышенные содержания металла;
• использование горных выработок для хозяйственных нужд;
• возможность организации горного подземного производства без отчуждения значительных участков земли под горные отводы, ограничивающегося их промплощадкой и транспортными сооружениями;
• возможность использования горного хозяйства разведочных предприятий;
• обеспечение продления срока службы отдельных цехов действующего рудника в условиях несущественных транспортных издержек;
• использование дешевых систем трубопроводного транспорта в вариантах «рудник-обогати-тельная фабрика» или «рудник-завод».
В условиях государственного недра ведения для организации горнодобывающего предприятия на малых месторождениях требуется типизация их горно-геологических условий. В главных чертах она может быть завершена после определения понятия малых месторождений, т.е. предельных значений (минимальных и максимальных) запасов руд, детального рассмотрения данных по разведанным запасам. Можно указать основные признаки типизации: по физико-
географическим особенностям - месторождения могут относиться к равнинной или горной местности, к освоенным, малоосвоенным и неосвоенным районам; по пространственному расположению месторождений в недрах - можно выделить автономное распо-
ложение залежи, спутниковое (с расположением залежи в радиусе действия промышленного транспорта действующего рудника); по структуре месторождения - с одним рудным телом или рассосредоточенными по площади (простиранию и падению) рудными телами; по особенностям морфологии -горизонтально и пологозале-гающие рудные тела малой, средней и большой мощности, наклонно и кру-тозалегающие рудные тела; по особенностям физико-механических свойств вмещающих пород и рудных тел - с устойчивыми или неустойчивыми боковыми породами, слабыми или крепкими рудами и т.п.
Для малых месторождений должен быть установлен критерий содержания металла в руде (пороговые значения содержания, ниже которого те или иные залежи в настоящее время не подлежат разработке). Представляется, что данный показатель по порядку значений является первым критерием для отбраковки малых месторождений при решении вопроса об их промышленном освоении. Другими критериями должны быть оценочные, характеризующие влияние разработки на среду обитания, геологическую среду, а также прогноз по природопользованию. Наличие банка данных по малым месторождениям руд цветных металлов и их типизация по горно-геологическим условиям залегания позволят более надежно решать задачи выбора способа их разработки.
Имеющийся ограниченный отечественный опыт (подзем-ная разработка погребенных россыпей на глубине до 100 м) и зарубежных опыт полиметаллического рудника "Трех штатов" (США), оловянного рудника «Ренайси Белл» (Тасмания), магнезитового
рудника "Бретнау" (Австрия) и некоторых других свидетельствует, что в зависимости от горно-геологических и местных условий для вахт производительностью от 200 тыс. до 600 тыс. т. в год принимались следующие технические решения. Вскрытие залежи осуществляли уклонами 10° и вентиляционными шурфами, вертикальным и наклонным стволами, спиральными наклонными выработками, вертикальными стволами и квершлагами. Буро-взрывную отборку вели с применением для погрузки малых экскаваторов с объемом ковша 0,38 м3, по-
грузочно-доставочных машин, а для откатки дизельных автосамосвалов грузоподъемностью 10-12 тм или троллейвозов при расстояниях от обогатительной фабрики до 1,8 км.
В условиях пересеченной местности откатку и подъем руды вели простейшими канатными системами транспорта.
В условиях природоохранной разработки малых рудных залежей по мнению автора должны реализовываться следующие технологические принципы. Отработка залежи ведется сплошною системой разработки с полной закладкой и использованием в основном отходов горно-металлурги-
ческого производства. Интенсификация процессов выемки достигается за счет эффективной системы буровзрывных работ, непрерывным выполнением основных производственных процессов при вахтовом режиме в четырех блоках (1-проведение нарезных работ, П. -буровзрывная отборка и проветривание, Ш. -выгрузка руды, ^- закладка.) Подготовка очистных блоков по руде в крепких и устойчивы' массивах, полевая - в слабых и неустойчивых рудах; совмещается со вскрытием залежи горизонтальными выработками.
Рудоподготовка для получения товарной руды ведется с предконцен-трацией, подготовкой ее к флотации и гидроподъемом после стадии измельчения. Селективные способы обогащения выполняются на поверхности с накоплением и последующим спуском хвостов в шахту для подземною закладочной установки. Товарная руда или концентрат в виде гидросмеси направляются автотранспортом или по трубопроводу на действующее горно-металлургическое предприятие.
Одним из определяющих факторов эффективности разработки малых залежей является мощность или годовая производительность рудника и его сроки службы. Для предприятия с ограниченными запасами оптимальная мощность вахты может быть определена [1] по фактору наличия запасов руды.
млн. т/год,
где К1 и Q,9-коэффициент соотношения уровней постоянных в единицу времени расходов на эксплуатацию и расходов на подготовку производственного процесса; К2 и 0,15-0,25 - коэффициент соотношения мощности шахты и запасов рудного поля.
Годовая производительность определяет срок службы предприятия. Эта величина обычно складывается из срока развертывания добычи расчетного срока службы (частное от деления промышленных запасов на годовую производительность рудника) и затухания добычи (погаше-ния выработок). Разведанные запасы руды в расчетах уменьшаются в связи с потерями при выемке, в том числе в охранных целиках, примерно на 13 %.
Стоимость временных промышленных зданий и сооружений, примерно, можно оценить, по аналогии с [3], в сумму, равную удвоенной мощности рудника в дореформенных ценах. Для повышения интенсивности процессов разработки временные этапы развертывания и затухания добычи сводятся к минимуму за счет рационального порядка отработки запасов в эксплуатационный период.
При определении схемы вскрытия малых залежей важно оценить организационные и технико-
экономические возможности рудничных и поверхностных систем транспорта. О возможностях отдельных видов транспорта в комплексах «рудник - обогатительная фабрика» можно судить по нашей работе [6], из которой следует рациональные сферы их применения (рис. 1). Уточняющая оценка вариантов применения транспортных средств при грузопотоках до 400500 тыс. т. горной массы в год для расстояния около 10 - 20 км в сопоставлении с опытными данными
Рис. 1. Области эффективного применения различных видов транспорта горной массы (песков, хвостов и т.п.): для железной дороги (ЖД), автотранспорта (АТ), многоприводного конвейерного транспорта (МПК) и гидротранспорта (ГТ)
отдельных предприятий показала, что экономически целесообразно применение автотранспорта, при больших расстояниях -гидротранспорта измельченной руды, а при удалении болеет 5О км - рельсовый транспорт.
Для рассматриваемых условия уместно изменение традиционного процесса рудоподготовки с целью создания предпосылок для управления деформациями в массивах горных пород (МГП) и широкого использования выработанного пространства на подземном предприятии. При размещении в выработках отходов обогатительная фабрика и других твердых промышленных отходов выработанные пространства приобретают экономическую категорию стоимости.
Для решения вопросов рудоподго-товки важное значение приобретает освоение современных систем трубопроводного гидравлического и пневматического транспорта для доставки компонент и закладочных смесей, а также рудничного подъема промпро-дукта [4]. На рис. 2а и б показаны условия и звено трубопроводного гид-
равлического транспорта в технологии рудоподготовки с предварительным обогащением в подземных условиях. Данный вариант технологического решения предусматривает использование пустых пород для наиболее прогрессивного вида высокоплотной, в том числе твердеющей гидравлической закладки. Альтернативной такому техническому решению может быть размещение хвостов сепарации в выработанных пространствах в виде варианта механической (скреперной) или самотечной закладки, имеющих большую усадку до 40-50%, с последующим тампонированием закладочного массива.
По мере повышения уровня экологическою безопасности горного производства и освоения процессов подземного обогащения потребуется введение в узел рудоподтотовки всех
Рис. 2. Технологическая схема ру-доподготовки с предконцентраци-ей:
а - схема приготовления товарной руды; б -схема приготовления промпродукта к гидроподъему
стадий дробления и первой стадии измельчения товарной руды, дешла-мации, дезинтеграции, а возможно и оспреднения промпродукта. Представляется поэтому перспективным в технологическую схему рудоподго-товки с предварительным обогащением ввести следующие операции: мокрого дробления (третья стадия), деш-ламации и первой стадии измельчения, примерно с выходом промпро-дукта крупностью - 0,1 мм. По такой схеме в цехах обогатительная фабрика может быть сделан упор на дальнейшее повышение качества пром-продукта - более глубокой обработки, селективной флотации по большему числу минералов и др.
По технологическою схеме рис. 2 предусматривается применение гидравлического подъема и транспорта промпродукта на обогатительная фабрика. Альтернативой их применения может быть подъем в скипах сгущенного промпродукта в виде гидросмеси. В последнем случае в качестве транспортных средств эффективно могут быть использованы минерало-возы с цистернами различной грузоподъемности. Заметим, что по затратам энергии гидроподъем промпро-дукта ранен или несколько меньше механического подъема, а по другим затратам существенно выгоднее.
Использование гидротранспорта и гидроподъема потребует рассмотрения условий использования рудничных вод для водоснабжения узла ру-доподготовки. В благоприятных условиях в отношении качества рудничных вод решается вопрос совмещения гидротранспорта и гидроподъема с операцией водоотлива. В определенных условиях минерализованные рудничные воды могут способствовать повышению подвижности (определенному качеству «раз-жижения») высокоплотных закладочных смесей.
Одним из преимуществ технологии рудоподготовки с гидротранспортом является возможность снизить расход электроэнергии на обогащение руды, который составляет 50-60 кВтч/на 1 т. Резервы для снижения рас-
хода энергии реализуются за счет выделения из горной массы до 25-30 % пустой породы, дешламации и дезинтеграции промпродукта на стадии его мокрого дробления. Значительный эффект может дать совмещение водоотлива с гидротранспортом и гидроподъемом при надлежащей организации этого процесса.
В условиях отработки малых залежей может быть достигнуть энергосбережение на механическом дроблении и измельчении руды при интенсификации буровзрывной отбойки. При снижении максимального куска руды и породы до 300 мм осуществляется первоначальный процесс переработки горной массы, предшествующий механическому дроблению и измельчению руды (и породы). Тем самым для операций рудоподготовкя достигается снижение энергетических затрат. По данным практики на процессы механического дробления и измельчения приходится порядка 95 % всех энергетических затрат, а на взрывное дробление руды - лишь несколько процентов.
Взрывной способ отборки обладает потенциальной возможностью для более высокой дезинтеграции руды при повышении эквивалента затрат на ВВ в допустимых пределах. Установлено, что с увеличением выхода мелких классов за счет взрывного воздействия на дробление горной массы удельная энергоемкость механического дробления пропорционально снижается.
Существует определенное, оптимальное с точки зрения энергозатрат, соотношение между взрывным и механическим способом разрушения пород. Например, для условий разрушения пород с пределом прочности на сжатие до 180 МПа и блочности массива до 1,2 м по опыту отечественных и зарубежных предприятий с конвейерной доставкой, при среднем размере куска 0,25 м, требуется удельный расход ВВ 0,4-0,6 кг/м3. При этом за счет снижения кусковатости руды повышается производительность дробилок и мельниц до 20-25%, при соответственном снижении расхода электроэнергии.
На основе условного расчета технологическая схема рудоподготовки, с рентгенорадиометрической сепарацией [5] при уменьшении объема переработки горной массы на 24 %, со-
кращает суммарные затраты на ее переработку в 3 раза, а доход повышают в 2 раза. По экспертной оценке автора варианты технологической схемы ру-доподготовки с гидротранспортом и гидроподъемом в соответствующих условиях могут не только не ухудшить указанный эффект, но и улучшить его за счет снижения эксплуатационных расходов.
В контексте данной заметки можно затронуть и проблему использования подземных вод, как источника минерального сырья. В отдельных случаях на малых рудных залежах ожидаемые во-допритоки достигают 250-400 м3/ч (месторождения Алтайской группы, рудного Урала).
Использование отдельных принципов разработки, изложенных выше, можно проиллюстрировать на примере рудной залежи «Летнее» из Башкирской группы полиметаллических малых месторождений. Указанное медно-колчеданное месторождение намечалось к разработке открытым способом. Оно представлено наклонными (10-20°) рудными телами линзообразной формы. Рудные тела расположены по вертикали на близком расстоянии друг от друга. По простиранию они имеют размеры 80-650 м с постепенным и тупым выклиниванием. Мощность рудных тел изменяется от 1 до 25 м. Глубина залегания 80-160 м.
Запасы медной руды и меди по категории А+В+Сі составляют соответственно 6721 тыс. т и 241,1 тыс. т при среднем содержании меди 3,44 %. Запасы цинковой руды и цинка по категории А+В+С1 составляют соответственно 5094 тыс. т и 75,5 тыс. т при среднем содержании цинка 1,5 % и по категории С2 соответственно 2154 тыс. т и 20,1 тыс. т при среднем содержании цинка 0,93 %. Запасы кадмиевой руды и кадмия по категории С2 соответственно 6574 тыс. т и 279, 3 т при среднем содержании кадмия 0,004%.
Налегающие породы представлены глинами коры выветривания и четвертичных отложений, а также диабазовой лавой, подстилающие породы -диабазовой лавой. Руда и вмещающие породы сильно трещиноваты, средне-устойчивы и неустойчивы. Коэффициент крепости руд и пород f= 6-14, объемный вес соответственно 3,2-4,2 и 2-3 т/м3. Скальные породы
абразивны, естественная влажность 16,4 %.
Рис. 3. Вариант схемы вскрытия и подготовки на примере медноколчеданной залежи "Летнее": 1 - вентиляционный шурф; 2 - грузолюдской ствол; З - рудное тело; 4 - квершлаг; 5 - подземный закладочный комплекс; 6 - восстающий; 7 -дробильно-сортировочный комплекс; 8 - уклон
На поверхности в районе месторождения протекает ручей. Рудные тела частично изолированы от поверхностных вод водоупорными породами. Коэффициент фильтрации водоупорных пород 0,14 м/сутки. Ожидаемый водоприток составляет 230 м3/ч.
При открытом способе разработки средний коэффициент вскрыши составит 20-25 м3/т. Из условия равенства себестоимости полезного ископаемого при открытом и подземном способах для месторождения «Летнее», граничный коэффициент вскрыши находится в пределах 6,611,7. Поэтому рассмотрение подземного способа целесообразно. Поскольку наиболее капиталоемким при подземной разработке является этап скрытия рудных тел, были рассмотрены и оценены по укрупненным расчетам следующие десть вариантов вскрытия (Расчеты выполнены горный инженер .кадн.техн.наук В.А. Филоновым, а по рекомендуемой схеме А.Е. Смолдыревым.):
1 двумя вертикальными стволами и квершлагами;
2 уклоном и двумя вертикальными стволами;
3 одним уклоном и одним вертикальным стволом, пройденными снизу
верх из уклона;
4 двумя уклонами;
5 вертикальным стволом и несвязанным с ним уклоном;
6 вертикальным стволом и квершлагами, которые сбиваются с поверхностью восстающими, оборудованными лифтоподъемниками; каждый с подземным дробильно-сортировоч-ным комплексом.
Выбор рационального варианта вскрытия обосновывался расчетами в соответствии с [3] на основании сопоставления трудовых и материальных затрат. Особое внимание уделялось схемам с уклонами, как обеспечивающим применение наиболее энергосберегающей системы откатки грузов конвейерами. По проведенным расчетам применительно к небольшим грузопотокам было установлено, что на каждые 10 м проходки вертикального ствола необходимо пройти 5О-90 м уклона при углах от 12 до 6°, что резко снижает эффективность схемы вскрытия с уклоном.
Расчеты показали, что вариант 6 наименее капиталоемкий и обеспечивает вскрытие рудных тел в кратчайшие сроки. В интерпретации автора с учетом требований интенсификации буровзрывных работ по рекомендуемой схеме восстающие с выходом
на поверхность заменены шурфами (рис. З).
Применительно к условиям отработки малых месторождения на предприятиях небольшой мощности с ограниченными грузопотоками представляют интерес неэнергоемкие и простые в исполнении канатные системы транспорта, не требующие выработок большого сечения.
При сравнении различных транспортных систем откатки и подъема следует указать, что лимитирующим фактором применения одноконцевого каната является предельное усилие, допускаемое на сцепку между вагонами, и минимальная скорость подъема. Для вагонеток такое усилие принимается около 6,5 кН, что соответствует канату диаметром 32 мм. Тогда число вагонеток небольшой емкости (1-1,5 м3) ограничивается 15 штуками с учетом удобства эксплуатации в выработке небольшого сечения. Максимальная скорость концевой откатки (при тяжелых рельсах и хорошем состоянии пути) допустима до 5 м/с. Т.о. такой транспорт может обеспечить производительность в 200 тыс. т в год при наклонной длине до 600 м. При большей длине потребуется вторая установка.
Лимитирующим фактором в от-
катке и подъемах бесконечным канатом является диаметр каната и скорость движения. При обслуживании прицепок диаметр каната более 35 мм нежелателен, а скорость при ручной прицепке к канату не может быть допущена более 1-1,2 м/с. Поэтому тяга бесконечным канатом от одного при-
вода может быть эффективна до производительности порядка 200-250 тыс. т в год.
В заключение представленного рассмотрения проблемы природоохранной подземною разработки малых рудных залежей считаем целесообразным проведение горно-
технологических исследований по типизации разведанных месторождений и на этой основе подготовку типового технологического регламента для проектных работ по их освоению.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Голомолзин А.И.. Определение мощности и срока службы шахт горнорудною промышленности. М.: Недра, 1972, с. 120.
2. Нормы технологического проектирования рудников цветной металлургии с подземным способом разработки. М.: Минцветмет СССР, 1966.
3. Методические рекомендации по расчету укрупненных нормативных показателей капитальных вложений и себестоимости добычи при оценке месторождения цветных металлов. М.: изд. ВИЭМС, 1968.
4. Смолдырев А.Е.. Совершенствование технологии рудоподго-
товки с применением гидроподъема промпродукта и гидротранспорта хвостов в закладку. - "Цветная металлургия", 1999, № 5,6.
5. Федоров Ю.О., Цой В.Г., Коренев О.Б., Черных С.И., Кацер И.У.. Пути повышения эффективности предприятия на основе рентгенорадиометрической сепарации руд. - "Цветная металлургия", 1996, № 2-3.
6. Смолдырев А.Е.. Транспортные средства для закладочных материалов. - "Цветная металлургия", 1966, № II.
Смолдырев, Анатолий Евтихы'вич докюр технических наук, профессор Московской государственной геологоразведочной академии.
