Принципы проектирования и реализации горнотехнических систем с полным циклом освоения рудных месторождений Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.27.326

© Д.Р. Каплунов, М.В. Рыльникова, 2013

ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РЕАЛИЗАЦИИ ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ПОЛНЫМ ЦИКЛОМ ОСВОЕНИЯ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ1

На основе разработанных положений комплексного освоения месторождений твердых полезных ископаемых синтезированы принципы проектирования и реализации горнотехнических систем с полным циклом освоения рудных месторождений

Ключевые слова: полный цикл, комплексное освоение недр, проектирование горнотехнических систем.

Принятые в настоящее время в проектах способы добычи не позволяют вовлечь в эффективную отработку все промышленные запасы руд, и часть фактически уже вскрытых запасов, остается вне утверждённого проекта разработки. В подземном пространстве, за предельными контурами 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, отдалённые локальные рудные тела, запасы, расположенные в неблагоприятных горно-геологических условиях. Зачастую в процесс освоения не вовлекаются накопленные техногенные образования. В результате балансовые запасы месторождений, утвержденные под открытую и подземную разработку, истощаются.

Вместе с тем, оставленные в недрах ценные компоненты содержатся в уже вскрытых карьером и подземными выработками залежах бедных руд, в целиках, в закладке выработанного пространства, в отвальных рудах, присутствуют они также в подот-вальных и шахтных водах. После очистки сточных вод часть полезных компонентов теряется в шламах. Потенциально — это то-

1 Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 1205-374-5а.

варные металлы, которые могут быть извлечены гидрометаллургическими методами. Кроме этого, химические свойства минерализованных рудничных вод таковы, что они могут быть использованы для выщелачивания ценных компонентов.

Таким образом, на горнодобывающих предприятиях сложилась объективная необходимость для опытной апробации и последующего промышленного внедрения горнотехнических систем с полным циклом формирования и извлечения из недр природных и техногенных твердых и жидких минерально-сырьевых потоков с последующим складированием в выработанные пространства недр конечных отходов горно-металлургического производства [1]. Полный цикл предполагает комплексное и экономически оправданное извлечение из недр и из минерального сырья ценных компонентов при применении рационального сочетания известных и перспективных геотехнологий, преимущественно малоотходных, с утилизацией отходов производства в сформированных открытыми и подземными работами выработанных пространствах (рис. 1).

Следует отметить, что проектирование инженерно-технических систем с завершенным технологическим циклом продиктовано требованиями сбережения энергетических, материальных, трудовых и минерально-сырьевых ресурсов. Данный подход в настоящее время развивается в совместных исследованиях австралийских и канадских ученых применительно к проектированию развития различных природных систем. В комментариях к результатам этих исследований отмечается, что в ходе проектирования систем с полным циклом, потребляемую системой мощность удается снизить на 80—90 %, а эксплуатационные расходы в течение всего жизненного цикла системы уменьшается на 70-80 % при снижении капитальных затрат на ее создание.

Создание технологий будущего требует применение подхода к проектированию, при котором проектируемые системы должны рассматриваться как единое целое и в контексте их полного жизненного цикла. Необходимо отметить, что в горной литературе до настоящего времени такая терминология встречается крайне редко, что позволяет судить о начальной стадии развития теории

■ /¿файтйглда шпадко ^н» Го&фнш кгщтщт

Рис. 1. Горнотехническая система комбинированной геотехнологии с полным циклом комплексного освоения месторождений: 1 — обогатительная фабрика, 2 — гидромонитор, 3 — сгуститель, 4 — закладочный комплекс, 5 — подземные вскрывающие выработки, 6 — складирование отходов в карьере, 7 — закладочный массив, 8 — карьер, 9 — гидромониторная разработка старогоднего хвостохранилища

проектирования освоения недр в аспекте создания фундаментальных основ проектирования горнотехнических систем с полным циклом. В России исследования в области обоснования горнотехнических систем с полным циклом, отвечающие ведущим мировым идеям в области комплексного освоения недр выполняются в отделе Теории проектирования освоения недр ИПКОН РАН [2].

Исследованиями доказано, что при проектировании горнотехнической системы (ГТС) с полным циклом для обеспечения устойчивого ее функционирования необходимо руководствоваться следующими положениями:

— рациональная интенсивность эксплуатации запасов богатых руд может быть обеспечена за счет использования других источников минерального сырья (например, техногенного), что по-

зволяет говорить о сбережении минерально-сырьевых ресурсов и сохранении осваиваемого участка недр на длительную перспективу. Стратегическое значение такого подхода к сохранению ресурсов земных недр переоценить невозможно, так как обеспечение будущих поколений минеральным сырьем высокого качества на как можно более длительный период является важной научной и производственной задачей;

— обеспечение полного цикла геотехнологических процессов в пределах проектируемой горнотехнической системы создает условия и широкие возможности для управления основными и вспомогательными минерально-сырьевыми потоками;

— при размещении основной массы образующихся отходов горно-перерабатывающего производства в выработанном пространстве рудников цикл освоения участка недр может рассматриваться как полный (замкнутый);

— применение современного мобильного оборудования, например, для закладки выработанного пространства позволяет организовать внутрирудничную утилизацию отходов в выработанном пространстве недр без выдачи отходов на поверхность;

— регулярное техническое перевооружение (модернизация) горных предприятий является действенной мерой снижения эксплуатационных затрат в разы и резервом увеличения производственной мощности рудников.

Анализ установленных закономерностей функционирования горнотехнических систем с полным циклом и взаимосвязи их параметров указывает на необходимость синтеза принципов полного цикла на базе объединяющей идеи — обоснования на стадии проектирования и реализации достижения в ходе всего жизненного цикла освоения участка недр таких рациональных значений производительности ГТС по товарной продукции, которые удовлетворяют потребности в них настоящего поколения, не поставив под угрозу удовлетворение потребностей будущих поколений.

Проектирование горнотехнических систем на основе полного цикла комплексного освоения рудных месторождений предусматривает целенаправленное формирование и управление параметрами прямых и возвратных природных и техногенных сырье-

вых потоков с учётом неопределённости геологической информации и ведет к повышению эффективности функционирования горнотехнических систем.

Методические положения проектирования и реализации горнотехнических систем на основе полного цикла комплексного формирования и извлечения из недр минерально-сырьевых потоков предусматривают:

1. Проекты на разработку рудных месторождений в полном геотехнологическом цикле должны предусматривать наиболее полное извлечение полезных ископаемых из недр и ценных компонентов из вещества.

2. Обязательным условием достижения требуемой эффективности и комплексности освоения рудных месторождений является совместное решение в базовом проекте вопросов комплексного извлечения полезных ископаемых из недр и ценных компонентов из природного и техногенного минерального сырья с установлением не столько границ, сколько условий применения комбинированных физико-технических и физико-химических геотехнологий в их различных сочетаниях и принятием технологических решений по переходу от одной технологии к другой.

3. Переход на комбинированные физико-технические и физико-химические геотехнологии не должен быть вынужденной мерой при отработке большей части запасов подземным способом, а стать обязательным постулатом, введенным в практику проектирования комплексного освоения участка недр.

4. В едином комплексном проекте должны быть решены вопросы поэтапного вовлечения в эксплуатацию отдельных участков недр с оптимизацией во времени и пространстве последовательности реализации сочетаний процессов подземной добычи руд и физико-химических геотехнологий для отработки природных залежей и сопутствующих техногенных образований с использованием сформированных подземными работами горнокапитальных, подготовительно-нарезных выработок, а также выработанных пространств, подлежащих эффективному использованию.

5. Последовательность и пространственные параметры реализации технологических процессов должны определяться на ос-

нове оптимизационного моделирования показателей функционирования всех технологических подсистем с установлением времени вовлечения в промышленную эксплуатацию отдельных природных участков недр, сформированных выработанных пространств и техногенных образований.

6. Проекты на комплексное освоение месторождений не являются задачами простого сложения отдельных производств, а представляют проблему создания горнопромышленного комплекса с полным циклом добычи, переработки руд и утилизации отходов. Этот принцип должен войти в практику проектирования строительства горнодобывающего предприятия, полностью использующего природные и техногенные георесурсы, а также прогрессивные технологии добычи и глубокой переработки руды, адаптированные к горно-геологическим условиям месторождения и специфику вещественного состава руд.

7. При проектировании комплексного освоения месторождений целесообразно предусматривать формирование и управление качеством основных и вспомогательных минерально-сырьевых потоков. Основные — предназначены для получения товарной продукции в обогатительном и/или гидрометаллургическом переделе (руда, техногенное сырье, продуктивные растворы, пульпа). Вспомогательные — для реализации технологических процессов, в первую очередь, управления состоянием массива. Способы управления качеством минерально-сырьевых потоков принимаются на основе комплексного анализа качественных характеристик месторождения (вид комбинированной геотехнологии, тип горнотехнической системы, вещественный и агрегатный состав потоков, тип основных вскрывающих выработок) и экономического сравнения вариантов.

8. Величина содержания ценных компонентов по глубине месторождения и его изменение предопределяют выбор порядка отработки. Последовательная схема отработки запасов оправдана при низкой извлекаемой ценности руды Параллельная схема предпочтительна как при снижении содержания, так и при росте содержания ценных компонентов в руде по глубине месторождения.

9. При значительном изменении качества руды по глубине и площади месторождения целесообразно разделять минерально-сырьевые потоки от открытых, открыто-подземных и подземных работ, участков выщелачивания и гидродобычи.

10. Долевое участие богатых руд в общих запасах месторождения обуславливает выбор способа добычи:

— при доле богатых руд до 30 % формируется единый рудо-поток с открытых и подземных работ с усреднением руды при очистной выемке и на усреднительных складах;

— при доле богатых руд более 30 % применяются селективные технологии выемки с разделением рудопотоков по качеству на технологические сорта;

— при доле богатых руд свыше 80 % эффективна валовая выемка с усреднением в едином рудопотоке.

Применение сепарационных установок эффективно при доле бедных руд в общих запасах месторождения более 40 %.

11. Повышение качества потоков минерального сырья достигается:

— рациональной дифференциацией запасов (отрабатываемых различными технологиями на разных этапах освоения месторождения);

— выделением технологических сортов руды для стабилизации качества усреднительными или разделительными процессами;

— учётом присутствия вредных примесей или разной степени обогатимости.

12. Вовлечение в эксплуатацию разносортных запасов для подземной разработки перспективно сочетанием двух технологий: подземная добыча руды системами с твердеющей закладкой выработанного пространства и выщелачиванием с последующим гидрометаллургическим переделом при обязательном управлении интенсивностью развития горных в зависимости от глубины разработки, содержания металла в бедных и рядовых рудах.

13. Складирование и утилизация отходов должно быть управляемым геотехнологическим процессом. При этом отходам горного и обогатительного производства и сформированным из

них техногенным массивам необходимо придавать определенные технологические характеристики, которые обеспечивают возможность последующей эффективной эксплуатации сформированного техногенного месторождения.

14. Требуемые технологические характеристики должны быть обоснованы с учетом установленных закономерностей формирования технологических свойств техногенного сырья, как в процессе его складирования и хранения, так и при эксплуатации сформированного техногенного месторождения.

15. Негативные природные процессы, связанные со складированием и хранением отходов горного и обогатительного производства на поверхности и в подземных условиях — миграция элементов в окружающую среду вследствие природного выщелачивания, сегрегация и седиментация, выветривание, эрозия, пыле-ние, оседание, обрушение и другие, должны учитываться как факторы, определяющие технологию формирования техногенных образований качественно нового состава и свойств, обеспечивающих эффективную промышленную эксплуатацию техногенного сырья.

16. Формируемый на основе установленных закономерностей техногенный массив следует рассматривать не только и не столько как хранилище отходов, а как техногенное месторождение, пригодное для промышленной эксплуатации с целью до-извлечения ценных компонентов и последующей утилизации отходов.

17. Использование в максимальной степени выработанных пространств подземных рудников в качестве технологического пространства для формирования техногенных месторождений способствует сокращению объема складирования отходов на земной поверхности. Именно поэтому разрабатываемые технологии характеризуются высокими экологическими показателями.

18. Утилизация отходов добычи и переработки руд в выработанном пространстве подземных рудников в виде техногенных образований, оставляемых после отработки на месте формирования, либо в качестве закладочных массивов, способствует: практически полному исключению выдачи пород от проходки выра-

боток на поверхность (до 100 %), существенному сокращению объема складирования отходов обогащения в хвостохранилищах (до 75 %).

Реализация научно-методических принципов проектирования полного цикла комплексного освоения недр на основе энерго- и ресурсосберегающих геотехнологий способна обеспечить эффективное получение высококачественного минерального сырья и решить экологические проблемы горного производства путем подземной утилизации отходов в замкнутых схемах формирования и перемещения минерально-сырьевых потоков.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Каплунов Д.Р., Рыльникова М.В., Калмыков В.Н. Научно-методическое обоснование модульного принципа проектирования горнотехнических систем // Недропользование — XXI ВЕК. 2009. № 05. — С. 74-78.

2. Трубецкой К.Н., Каплунов Д.Р., Рыльникова М.В. Проблемы и перспективы развития ресурсосберегающих и ресурсовоспроизводящих геотехнологий комплексного освоения недр земли // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2012. № 4. — С. 116-124.