CC BY
71
УДК 622.274
Пирогов Геннадий Георгиевич Genadiy Pirogov
ПРИРОДООХРАННАЯ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
ENVIRONMENTAL RESOURCE-SAVING TECHNOLOGY DEVELOPMENT OF THE ORE DEPOSITS
Статья посвящена решению современной актуальной проблемы сохранения качества природной среды и повышения эффективности горного производства. Приведены результаты научных исследований автора
Ключевые слова: природоохранная технология разработки, подземный горно-обогатительный комплекс, хвосты обогащения, закладка выработанного пространства
The article is devoted to solving today’s pressing issues: preservation of environmental quality and efficiency of mining industry. The article presents the results of scientific research of the author
Key words: environmental technology development, underground mining and processing complex, tailings, mined-outspace
По негативным последствиям техногенных воздействий на природную среду горнодобывающая и перерабатывающая промышленность занимает одно из первых мест среди промышленных отраслей. Наибольшая экологическая опасность связана с хвостохранилищами, содержащими тяжелые металлы, другие вредные и токсичные вещества.
Согласно [1], в Забайкальском крае накоплено 170 млн т твердых отходов в отвальных хвостах, под которые отчуждена общая площадь 1283 га. В 1993-1995 гг. на участках, прилегающих к хвостохрани-лищам, опробованы почвы [1], показавшие следующие результаты загрязнения земель тяжелыми компонентами руд, мг/кг:
— хвостохранилище Кличкинского рудника: очень сильное загрязнение (5-й уровень) мышьяком (80...600), слабое и умеренное (2...3 уровень) — цинком (305...587,5), свинцом (99...162,5), кадмием (2,9...5);
— хвостохранилище Кадаинского рудника: очень сильное загрязнение (5 уровень) свинцом (1713...1985), сильное (4 уровень) — кадмием (12,8...19,6) и цинком (2203...2925);
— хвостохранилище Шахтаминского рудника: очень сильное — умеренное (5-3 уровни) молибденом (35...213,6), слабое (2 уровень) свинцом (7,5...98) и цинком (66,7...188);
— хвостохранилище Шерловогорского ГОКа (опробование 1994 и 1995 гг.): очень сильное загрязнение на удалении 1000 м от хвостохранилища мышьяком (57.. .300), слабое — свинцом (28...109) и цинком (30...169).
Результаты исследований свидетельствуют о расширении площадей, прилегающих к хвостохранилищам и подвергаемых загрязнениям. Осушение хвостохранилищ приводит к дефляции хвостов и разносу пыли на большие расстояния.
Подобное отрицательное воздействие
хвостохранилищ на экологическую систему
оз. Имандра (Кольский полуостров) отмечено в работе [2]. В публикациях [3; 4] указано, что площади земель, нарушенные горными работами и занятые техногенными образованиями в Свердловской и Челябинской областях, превышают 2000 км2, что стало причиной формирования катастрофической экологической ситуации регионального масштаба. Исследователи обосновывают свой вывод следующими аргументами:
а) в хвосто- и шламохранилищах накапливаются токсичные металлы: медь, цинк, свинец, кадмий, бериллий, таллий, ртуть, мышьяк;
б) непрерывный сброс пульпы и отсутствие противофильтрационных экранов в ложе и ограждающих дамбах вызывают потери воды в пределах 40 ... 70 % и более от общего объема жидкой фазы. В результате окружающие территории подвергаются интенсивному подтоплению, а подземные воды — загрязнению;
в) наличие большого количества хвос-то-, шламохранилищ, расположенных цепочкой вдоль Урала, привело к коренному изменению геохимических природных процессов, в результате чего изменился состав подземных и поверхностных вод. Так, в основных реках, источниках питьевой воды в Свердловской области содержание тяжелых металлов в 1994 г. достигло: по меди 34...59 ПДК; по цинку 5,3...5,9 ПДК; по марганцу 21...27 ПДК; по железу
4,3...10,6 ПДК; ‘
г) длительность отрицательного воздействия на окружающую среду.
Подземная добыча руд относится к энергоемким, капиталоемким горным производствам. Низкое качество руд, необходимость технического перевооружения рудников вследствие малой производительности труда, не отвечающей современным экономическим требованиям, значительное понижение горных работ обусловливают недостаточно эффективное состояние горного производства. Низкое качество руд в рыночных условиях неизбежно приводит к выборочной добыче, повышая и без того высокий уровень потерь. Потери в недрах
до 20 % отбитой и неотбитой руды существенно сокращают минерально-сырьевую базу горных предприятий, принуждая вводить в эксплуатацию новые рудные месторождения, но уже в менее благоприятных природно-климатических условиях.
Рудники Урала, Курской магнитной аномалии, Горной Шории, Забайкалья осуществляют выемку руд на глубинах
700...1000 м, Норильские — свыше 1000 м. Расширение использования минеральносырьевой базы связывается с разработкой глубокозалегающих месторождений, в частности, месторождений Тагило-Кушвин-ского и Курганского Зауралья, урановых месторождений Стрельцовского рудного поля, а также Ново-Широкинского золото-полиметаллического месторождения в Забайкалье.
Изложенное свидетельствует об актуальности решения проблемы создания природоохранной ресурсосберегающей технологии, повышающей эффективность подземной разработки рудных месторождений. Квинтэссенцией горной технологии является складирование хвостов обогащения в выработанных пространствах очистных блоков с размещением обогатительной фабрики в недрах [5; 6]. Появляется горное предприятие нового типа — подземный горно-обогатительный комплекс.
Предлагается следующая суть понятия — подземный горно-обогатительный комплекс, это горное предприятие по добыче и обогащению руд, включающее рудник и обогатительный комплекс, осуществляющие производственную деятельность в едином подземном пространстве горного отвода, взаимосвязанные подземными горными выработками транспортно-вентиляционной системы; хвосты обогащения используют для закладки выработанного пространства, готовый концентрат выдается на земную поверхность.
Обогатительный комплекс — технологическая часть обогатительной фабрики, размещенная в подземных камерах вблизи от очистных работ. Вспомогательные цехи (блоки А и Б) обогатительной фабрики составляют ее поверхностный комплекс.
И.И. Айнбиндер, Н.Ф. Замесов [7] и др. установили, что общие тенденции развития подземной разработки связаны с переходом горных работ на более глубокие горизонты, которые характеризуются повышенной напряженностью руд и пород, высокой температурой массива, высокими затратами и сложностью решения вопросов вскрытия, горнопроходческих и очистных работ, управления горным давлением, подъема руды, вентиляции, крепления и поддержания горных выработок.
На основе выполненного анализа современной отечественной и зарубежной горнорудной практики, исследований горнотехнических факторов, объективной це-
лесообразности складирования хвостов подземного обогащения в выработанных пространствах нами разработаны и запатентованы [8; 9] способы разработки крутопадающих месторождений, включающих устойчивые руды любого промышленного типа. На рис. 1 приведена схема системы разработки, сущность которой заключается в том, что рудное тело в направлении вкрест простирания условно делят на крутонаклонные прирезки шириной до 8 м. Каждую прирезку, начиная от висячего бока, отрабатывают снизу вверх соями с закладкой выработанного пространства предварительно подготовленными хвостами подземного обогащения.
Рис. 1. Схема системы разработки сплошной слоевой выемкой наклонных прирезоксзакладкой выработанного пространства на основехвостов
подземного обогащения:
1 — наклонный съезд (проекция); 2 — заезд на отрабатываемый слой; 3 — отработанные и заложенные слои; 4 — породные включения в рудном теле; 5 — искусственная железобетонная потолочина
Один из вариантов размещения обогатительного комплекса в подземном пространстве на месторождении с большой площадью оруденения в горизонтальной плоскости (слабонаклонное, пологое залегание руд) приведен на рис. 2.
Технологией разработки предусматривается промежуточное накопление текущих
хвостов подземного обогащения в накопительных камерах, подача их в закладочный комплекс для подготовки к закладке выработанного пространства.
Известны три вида закладочных смесей на основе хвостов обогащения: традиционная, гранулированная и пастовая.
Рис. 2. Схема размещения подземного обогатительного комплекса при разработке слабонаклонныхипологихместорождений:
1 — главный ствол рудника; 2 — вентиляционный ствол рудника; 3 и 4 — выработки транспортно-вентиляционной системы подземного обогатительного комплекса; 5 — стволы обогатительного комплекса; 6 — технологические камеры обогатительного комплека; 7 — слабонаклонное месторождение
Традиционная закладочная смесь применяется в двух вариантах: гидравлической (бесцементной) и твердеющей (цементной) смеси и она наиболее изучена [10]. Поскольку содержание илистых частиц в смеси не должно превышать 5 %, подготовка традиционной закладки, содержащей хвосты обогащения, включает обезвоживание, классификацию и удаление тонкодис-пергированных частиц.
В настоящее время в теории и частично в практике закладочных работ при подземной добыче руд получают пастовые закладочные смеси, основанные на использовании тиксотропных свойств. Специалистами в работах [11; 12] установлена их достаточно высокая эффективность. Недостатками пастовых смесей являются вы-
сокая стоимость применяемого цемента и неэффективные технические решения гидротранспортирования их до выработанного пространства.
В работе [13] предложено предварительно обезвоженные хвосты гранулировать и заполнять ими отработанные камеры.
Применением закладки в гранулированном состоянии достигается доизвлечение металлов из закладочного массива, например, методом подземного выщелачивания. Идея окомкования тонкодиспергирован-ных закладочных материалов в горнодобывающей промышленности не нова. В публикации [14] рекомендована закладка для формирования искусственных массивов в виде глиняных шаров, получаемых после
специальной обработки диспергированных материалов.
Гранулирование хвостов удорожает закладочные работы, однако является привлекательным методом. Достоинствами его являются эффективность гидротранспортирования и высокая фильтрационная способность. Нами рекомендуются гранулированные закладочные смеси, которые могут использоваться с цементом (твердеющая закладка) или без цемента (гидравлическая закладка). В предложенной нами системе разработки мощных и средней мощности крутопадающих рудных тел слоевой выемкой наклонных или вертикальных прирезок (рис. 1) закладкой, способной сохранять свою форму и устойчивость в поперечных перемещениях в случае отработки смежных прирезок, является твердеющая закладка.
Существенным недостатком твердеющей закладки является ее высокая стоимость, обусловленная большим расходом основного вяжущего вещества — цемента (до100кгна1м3) и высокой все возрастающей ценой. Гранулированная гидравлическая закладка снижает затраты на закладочные работы, но при отработке очистного слоя ее невозможно удержать в границах смежного уже отработанного и заложенного слоя.
Нами предложена ресурсосберегающая комбинированная закладка выработанного пространства очистного слоя,
конструкция которой включает гранулированную гидравлическую закладочную смесь и удерживающую бетонную стенку со стороны смежного слоя [15]. Таким образом, границами среднего слоя являются бетонные удерживающие стенки. Толщина бетонной стенки, сооружаемой из твердеющей смеси, определяется по уравнению прочности, составленному для сил и напряжений, действующих в гранулированной закладке и стенке с учетом угла падения рудного тела.
Подземный обогатительный комплекс функционирует в иных, по сравнению с земной поверхностью, тепловых условиях. Он находится в области положительных температур, что позволяет в холодные периоды года экономить электроэнергию на обогрев фабрики и технологических процессов. При отсутствии зоны многолетнемерзлых пород температура в горном массиве на глубине 1000 м достигает 25...30 0 С.
В подземных горных выработках существует постоянная потребность работающих в свежем воздухе. Известные технические средства подачи свежего воздуха в шахту и методы управления воздушными потоками обеспечивают рабочие места комплекса воздухом в достаточных количествах. На рис. 3 приведена расчетная зависимость потребного количества свежего воздуха для вентиляции технологических камер обогатительного комплекса от площади горизонтального сечения камер при скорости его движения 0,5м/с.
с
-
ММ "з
\о« ^
!£
2
с
Й
ей
£
н
«
с
м
1200
1000
800
600
400
200
0
0
1000
2000
3000
Горизонтальное сечение камеры, м2
Рис. 3. Потребное количество свежего воздуха для проветривания
технологических камер
Технология разработки рудных месторождений с использованием подземных обогатительных комплексов способствует минимизации ущерба окружающей среде горнодобывающей промышленностью и повышению эффективности подземной добычи. Потери руды составляют 3...5 %, разубоживание — 7...9 %. Освобождаются земли для развития социальной и промышленной инфраструктуры. Она более ус-
тойчива в чрезвычайных и экстремальных ситуациях. Исключается необходимость выемки песчано-гравийных смесей для закладочных работ. Осваивается важный природный ресурс — подземное пространство.
Технология применима для отработки устойчивых руд любого промышленного типа мелких, средних и достаточно крупных месторождений.
Литература
1. Возмилов А.М. Отходы горнорудного производства Читинской области // Вестн. МАНЭБ.
— Чита: Забтранс, 1999. — №6(18). — С. 25-28.
2. Руденко Е.С., Кононова Л. П. О влиянии хвостохранилища АНОФ — 2 ПО «Апатит» на экологическую обстановку озера Имандра // Теория и практика комплексного освоения месторождений полезных ископаемых и обогащения минерального сырья. — М.: ИГД АН Казахстана, 1992. — С. 53-55.
3. Антоненко Л.К., Зотеев В.Г. Проблемы переработки и захоронения отходов горно-металлургического производства // Горныйжурнал. — 1999. —№ 2. — С. 70-73.
4. Антоненко Л.К., Зотеев В.Г. Проблемы безопасной эксплуатации хвостохранилищ и пути из решения // Горныйжурнал. — 1998. — №1.— С. 65-67.
5. Бызов В.Ф. Перспективы развития подземных горно-обогатительных комбинатов // Горный журнал. —1992. —№ 4. — С. 67-69.
6. Пирогов Г. Г. Приближение обогащения к подземной добыче руд // Горный информ.-ана-лит. бюл. —2001. — №2,— С. 15-17.
7. Замесов Н.Ф., Айнбиндер П.П. Перспективы развития систем и технологий разработки месторождений на больших глубинах // Физико-технические проблемы разработки месторождений твердых полезных ископаемых. — М.: ИПКОНАН ССССР, 1982. — С. 96-101.
8. Патент РФ № 2327038. Способ разработки сложноструктурных крутопадающих мощных и средней мощности рудныхместорождений. Пирогов Г.Г. Опубл. 20.06. 2008 Бюл. № 17.
9. Патент РФ на изобретение № 2338879. Способ разработки рудных месторождений. Пирогов Г.Г. Опубл. 20.11.2008 Бюл. № 32.
10. Закладочные работы в шахтах: справочник / Под ред. Д.М. Бронникова, М.Н. Цыгалова.
— М.: Недра, 1989. — 400 с.
11. Крупник Л.А., Соколов В.Г., Едильбаев В.И. Повышение эффективности использования хвостов флотации для закладки // Горный журнал. — 1987. —№ 6. — С. 20-22.
12. Крупник Л.А., Пятигорский Л.В. Перспективы развития технологии и механизации закладочных работ при подземной разработке руд // Горный информ.-аналит. бюл. — 2000. — №
4.-С. 204-206.
13. Безотходное горно-обогатительное производство на базе подземных комплексов / Ю.Д. Шварц, Р.И. Семигин, И.С. Зицер идр.// Горный журнал. — 1992. — №5, — С. 42-45.
14. Рыжков Ю.А., Волков А.Н., Гоголинов В.А. Механика и технология формирования за-кладочныхмассивов. — М.: Недра, 1985. — 190 с.
15. Патент РФ на изобретение № 2393355. Способ закладки выработанного пространства. Пирогов Г.Г., Лаевский Д.Н. Опубл. 27.06.2010 Бюл. № 18.
Коротко об авторе_______________________________________________________Briefly about the author
Пирогов Г.Г., д-р техн. наук, профессор, Читинс- G. Pirogov, Doctor of Technical Sciences, Professor, кий государственный университет (ЧитГУ) Chita State University
Служ. тел.: (3022) 32-29-25
Научные интересы: научное обоснование и со- Scientific interests: scientific substantiation and cre-здание новых технологий разработки рудных место- ation of new technologies of ore deposits mining рождений
