CC BY
62
© С.А. Гончаров, 2014
УДК 622
С.А. Гончаров
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ НА ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ ПРИ ДОБЫЧЕ И ПЕРЕРАБОТКЕ ЖЕЛЕЗНЫХ РУД
Приведено количественное размещение балансовых запасов железных руд по федеральным округам РФ.
Приведены сведения по энергоёмкости и себестоимости всех технологических процессов при добыче и переработке железистых кварцитов в РФ. Намечены пути снижения энергозатрат и повышения экологической безопасности при добыче и переработке железных руд. Ключевые слова: железная руда, железистые кварциты, энергоёмкость и себестоимость процессов добычи и переработки железных руд.
Производство железорудной продукции является одной из основных стратегических задач государства. Россия, занимая первое место в мире по запасам железной руды, имеет в их составе лишь 9% богатых руд. Вследствие этого, в середине прошлого столетия основой сырьевой базы железорудной промышленности России стали месторождения бедных руд, преимущественно железистых кварцитов.
Таблица 1
Географическое размещение балансовых запасов железных рул по фелеральным округам РФ
Федеральный округ Кол-во месторождений Балансовые запасы на 01.01.07, млн т
А + В + С1 % к запасам
Центральный (ЦФО) 19 33 209 59,4
Северо-Западный (СЗФО) 17 2223 4,0
Приволжский (ПФО) 26 265 0,5
Уральский (УФО) 50 8260 14,7
Сибирский (СФО) 59 7476 13,4
Дальневосточный (ДФО) 23 4482 8,0
Всего по России 194 55 915 100
82
Федеральными округами России, где сосредоточены балансовые запасы железных руд, являются Центральный, Уральский, Сибирский, Дальневосточный, Северо-Западный и Приволжский.
Распределение по округам запасов железных руд России по состоянию на 01.01.207 г. по данным работы [1] приведены в табл. 1.
Среднее содержание железа на разведанных железорудных месторождениях России составляет 36%.
Центральный федеральный округ. На его долю приходится 59,4% всех запасов промышленных категорий А + В + С1 России. Он обеспечивает 47,3% добычи сырой руды, а также 53,8% производства товарной железной руды. В его пределах находится крупнейший железорудный бассейн мира — Курская магнитная аномалия (КМА), где 21% балансовых запасов представлен богатыми мартит-гидро-мартитовыми и сидерито-мартитовыми рудами с содержанием железа до 55% и не требующими обогащения; 79% запасов представлены железистыми кварцитами, из них 72% запасов приходится на не-окисленные магнетитовые кварциты, легко обогащаемые с применением хорошо освоенной технологии мокрой магнитной сепарации. Запасы железных руд, сосредоточенных в КМА, составляют более 82% прогнозных ресурсов России, они оцениваются в 123,6 млрд т.
Основная их масса (более 60%) находится в Белгородской области, остальные — в Курской (около 23%) и Орловской (17%) областях.
Предприятия, добывающие железную руду в ЦФО — это «Михайловский ГОК», «Лебединский ГОК», «Стойленский ГОК», «Комбинат КМА-руда», «Яковлевский рудник», «Белгородский ГОК».
Вторым по запасам и добыче железных руд является Уральский федеральный округ на долю которого приходится 14,8% всех балансовых запасов категорий А + В + С1 России и который обеспечивает 23% добычи сырой руды и 14,5% производства товарной железной руды страны. Разрабатываются 22 месторождения с запасами по категориям А + В + С1 составляющими 46,8%.
Балансовые запасы промышленных категорий А + В + С1 размещены в Свердловской (25 месторождений, 90%) и Челябинской (24 месторождения, 10%) областях.
В Уральском ФО 80,4% разведанных запасов (6,7 млрд т.) представлены легкообогатимыми титаномагнетитовыми рудами.
Предприятия, добывающие железную руду в УФО — это, «Кач-канарский ГОК», «Высокогорский ГОК», «Гороблагодатское РУ»,
83
«Богословское РУ», «Первоуральское РУ», «Горнообогатительное производство ММК», «Бакальское РУ».
Балансовые запасы категорий А + В + С1 Северо-Западного федерального округа составляют 4,1% общероссийских и обеспечивают 20,3% добычи сырой руды и 19,4% производства товарной железной руды страны.
Распределение запасов железных руд по степени промышленного освоения месторождений следующее: разрабатывается 10 месторождений с запасами округа по категориям А + В + С1, составляющими 85%, подготавливаются к освоению 1 месторождение с запасами 14%.
Предприятия, добывающие железную руду в СЗОФО — это «Оленегорский ГОК», «Костомукский ГОК», «Ковдорский ГОК».
Сибирский федеральный округ располагает 13,1% балансовых запасов России и обеспечивает 9,8% добычи сырой руды и 12,3% производства товарной железной руды страны. Железные руды Сибири представлены легкообогатимыми магнетитовыми разновидностями (71,7% от запасов округа), разработка которых осуществляется в настоящее время. Распределение запасов железных руд по степени промышленного освоения месторождений следующее: разрабатывается 16 месторождений с запасами округа по категориям А + В + С1, составляющими 17,1%; подготавливается 3 месторождения с запасами 10%. Предприятия, добывающие железную руду в СФО — это «ОАО Коршуновский ГОК», предприятия «ОАО Евразруда», предприятия «ОАО Красноармейское».
В Дальневосточном федеральном округе, имеющем 8% запасов железных руд страны, добыча не осуществляется. Руды в основном легкообогатимые, требующие обогащения. Месторождения сосредоточены в четырех основных железорудных районах.
Балансовые запасы промышленных категорий А + В + С1 размещены в Республике Саха (Якутия) — 78,5%, Еврейской автономной области — 16,1% и Амурской области — 5,4%. Кроме того, в Дальневосточном округе выявлено 8 месторождений с забалансовыми запасами 472 млн т.
В Приволжском федеральном округе, имеющем 0,5% балансовых запасов железных руд страны, основные запасы представлены бурыми железняками Зигазино-Комаровской группы с запасами 70,2 млн т (19 месторождений) со средним содержанием железа общего 39-42%, расположенными в Республике Башкортостан, и
84
железо-хромо-никелевыми рудами Орско-Халиловской группы в количестве 195 млн т (7 месторождений), со средним содержанием железа 30-40%, расположенными в Оренбургской области.
В республиках СНГ сосредоточены запасы разведанных железных руд в следующем количестве: Украина — 25, 9 млн т, Азербайджан — 300 млн т, Грузия — 95 млн т, Молдова — 280 млн т, Таджикистан — 300 млн т, Казахстан — 80 млн т, Узбекистан — 35,5 млн т.
Выше приведенные сведения о запасах железной руды в России и странах СНГ приведены в соответствии с данными работы [1].
Всего в России сосредоточено балансовых запасов железных руд 55 915 млн т. В настоящее время в России ежегодно добывают и перерабатывают 295 млн т железной руды, из них 10 млн т — богатая руда и 285 — бедная, требующая обогащения.
Из приведенных цифр следует, что при нынешних темпах добычи железной руды в России ее нынешних балансовых запасов хватит примерно на 190 лет.
В последние 30-40 лет в связи с научно-техническим прогрессом и интенсивным развитием энергоемких производств стремительно возрастает энергопотребление во всех странах и во всех отраслях. Практически до 50% в себестоимости товарной продукции горнорудных предприятий занимают энергозатраты. В связи с этим энергосбережение является проблемой номер один в мировом масштабе. В наиболее развитых странах эта проблема решается довольно успешно. Например, топливно-энергетические затраты (МДж) на 1$ валового национального продукта (ВНП) по некоторым странам составляют: Швеция ® 12; Франция ® 12; Германия ® 15; США ® 23; Россия » 35; Китай ® 45; Венгрия ® 52.
Одним из наиболее энергоемких производств (после алюминиевой промышленности) является промышленность черной металлургии.
Ориентировочные расчеты показывают, что материальные и энергетические затраты на 1 т готового проката в России на 30-50 долларов США выше, чем на современных предприятиях за рубежом.
Общее потребление энергоресурсов промышленностью черной металлургии России составляет 25% от производимых топливно-энергетическим комплексом страны, в том числе 16,5% — металлургическое производство, 5,5% — горнорудное производство и 3% — прочие переделы, включая экологию. Средний расход энергии на добычу и переработку 1 т железной руды в России составляет при-
85
мерно 45 кВтч, из них примерно 30 кВтч/т затрачивается на процессы разрушения (бурение ~ 0,5 кВтч/т, взрывание ~ 0,6 кВтч/т, дробление ~ 3 кВтч/т, измельчение ~26 кВтч/т).
При добыче и переработке рудных полезных ископаемых все технологические процессы (бурение, взрывание, погрузка горной массы, ее транспортирование, дробление руды, ее измельчение, классификация и т.д.) с позиции физической сущности этих процессов представляют совокупность двух процессов. Это процессы разрушения и перемещения. Например, технологический процесс бурение — это разрушение породы на забое скважины (шпура) и перемещение продуктов разрушения (вынос их из скважины). Технологический процесс взрывания (взрывная отбойка руды от массива) — это разрушение массива и перемещение горной массы силами взрыва. Технологические процессы погрузки и транспортирования горной массы — это с физической точки зрения на 100% процессы перемещения. Технологические процессы дробления и измельчения руды — это совокупность физических процессов разрушения и перемещения. Технологический процесс классификации после дробления и измельчения руды — это на 100% процесс перемещения.
Рассматривая дальнейшую технологическую цепочку обогатительного передела руды можно убедиться, что все технологические процессы (дешламация, фильтрация, сепарация, окомкование, обжиг окатышей) основаны на перемещении горной массы.
Геомеханические процессы в массиве горных пород при техногенном вмешательстве с физической точки зрения — это также совокупность физических процессов разрушения и перемещения.
В связи с изложенным напрашивается решение проблем минимизации энергоемкости и себестоимости процессов разрушения и перемещения при добыче и переработке железной руды, а так же обеспечение экологической безопасности при этом.
Себестоимость готовой продукции на железорудных предприятиях (это концентрат или окатыши), главным образом, определяется энергоемкостью процессов добычи и переработки руды.
Самым энергоемким и дорогостоящим процессом при добыче и переработке, например, железистых кварцитов является их разрушение (бурение, взрывание, дробление, измельчение). На ГОКах РФ, добывающих железистые кварциты, на долю этого процесса приходится примерно 30 кВтч на 1 т руды, в том числе примерно 26 кВтч приходится на измельчение руды в мельницах.
86
Поэтому проблема снижения энергоемкости измельчения руды в мельницах является важной народнохозяйственной задачей. Решению этой задачи посвящено много работ. В абсолютном большинстве эти работы сводятся к одному предложению: необходимо увеличить удельный расход ВВ, при взрывной отбойке руды от массива, чтобы на стадии этого малоэнергоемкого процесса разупрочнить руду и тем самым снизить энергоемкость ее рудоподготовки при дроблении и измельчении. Такой подход наиболее полно в научном и практическом плане проработан в докторской диссертации А.И. Потапова [2].
В доперестроечные времена этот подход в какой-то степени себя оправдывал при существовавшей в то время ценовой политике на энергоносители (электроэнергию и ВВ). Один кВтч взрывной энергии был примерно на 15% дешевле электрической.
После перехода на рыночные отношения в экономике этот подход себя не оправдывает, так как стоимость ВВ по сравнению с доперестроечными ценами увеличилась значительно больше, чем стоимость электроэнергии.
При существующих на сегодня ценах на ВВ и электроэнергию нецелесообразно увеличивать удельный расход ВВ с целью разупрочнения руды и снижения энергоемкости ее измельчения в мельницах. Об этом убедительно показано в работе [3].
При этом стоит отметить, что далеко не исчерпана возможность разупрочнения руды при ее взрывной отбойке от массива за счет увеличения КПД взрыва, без увеличения удельного расхода ВВ, что показано в работах [4 и 5].
Удельный расход электроэнергии (кВтч на 1 т переработанной железной руды) на основных ГОКах РФ по состоянию на 2000 г. представлен в табл. 2 [5].
Средний удельный расход электроэнергии на железорудных ГОКах РФ составляет 140-170 кВтч на 1 т полученного концентрата.
Таблица 2
ГОКи 1990 г. 1995 г. 1999 г.
Костомукшский 75 77,6 66,7
Михайловский 66,6 68,3 55,6
Стойленский 54,5 55,56 48,6
Лебединский 66 62,6 52,3
Качканарский 38,6 38,6 39,5
Оленегорский - - 40,5
87
Удельный расход электроэнергии по цехам на основных железорудных ГОКах РФ по состоянию на 1999 г. представлен в табл. 3 [5].
Для ГОКов России, добывающих железистые кварциты, усредненные значения удельного расхода электроэнергии по процессам, а также себестоимость процессов пересчете на получение 1 т концентрата приведены в табл. 4 по состоянию на 2000 г. [5].
На процессы разрушения руды приходится 71+72% общих энергозатрат при получении концентрата, в том числе на процесс измельчения руды в мельницах — 59+60%.
В себестоимости железорудного концентрата процессы разрушения руды (бурение, взрывание, дробление, измельчение) составляют примерно 60%, а процесс измельчения руды в мельницах примерно 51+52%.
Со временем составляющая энергозатрат в себестоимости железорудного концентрата (окатышей) будет возрастать, так как цена энергоносителей будет повышаться.
В целом горнорудные предприятия, добывающие железную руду, потребляют примерно 1010 кВтч электроэнергии в год, из них (7,1+7,2) 109 кВтч приходится на процессы разрушения руды, в том числе примерно 6109 — на процесс измельчения руды в мельницах.
Для сравнения приведем количество электроэнергии, вырабатываемое ежегодно Красноярской ГЭС: оно равно 20,4 109 кВтч.
Из сравнения следует, что примерно половину электроэнергии, вырабатываемой Красноярской ГЭС, расходуется железорудными предприятиями России, а расход электроэнергии на измельчение руды в мельницах на этих предприятиях составляет почти 1/3 вырабатываемой на ней электроэнергии.
Таблица 3
ГОКи кВт ч/т рулы (кВт ч/т концентрата)
Добыча Дробление Обогащение Хвостовое хозяйство
Костомукшский Михайловский Стойленский Лебединский Качканарский Оленегорский 3,4 (7,27) 6,6(15,38) 7,5(16,3) 4,81 (9,63) 5,2 (21,45) 5,38(13,9) 3,9 (8,2) 2,9 (7,0) 3,4 (7,2) 1,22 (2,22) 4,1 (16,5) 2,99 (7,7) 47 (84,62) 38.5 (90,46) 26,9 (58,56) 38,38 (70,07) 17.6 (67,8) 19,5 (50) 12.4 (27,4) 7,8(17,9) 10,8 (23,2) 7,89(14,38) 12.5 (51,15) 12,63 (32,4)
88
Операции Расход электроэнергии на 1 т добытой руды, кВт-ч/т Себестоимость процесса в перерасчете на 1 т полученного концентрата, $/т
Рудник
Бурение 0,4-0,5 0,2-0,26
Взрывание (энергия взрыва) 0,5-0,7 0,7-0,84
Экскавация 0,5-0,6 0,1-0,11
Внутрикарьерное транспортирование руды ав- 3-3,5 0,25-0,26
тосамосвалами (энергия расходуемого топлива)
Транспортирование руды ж. д. транспортом 2-3 0,35-0,36
(рудник — фабрика)
Итого по руднику 6,4-8,3 1,6-1,9
Корпус дробления руды
Первая стадия дробления (с 1200-0 до 400-0 мм) 0,8-0,9 0,16-0,2
с транспортными расходами
Вторая стадия дробления (с 400-0 до 100-0 мм) 1,0-1,1 0,2-0,22
с транспортными расходами
Третья стадия дробления (с 100-0 до 25-0 мм) с 1,2-1,4 0,26-0,3
транспортными расходами и грохочением
Итого по дроблению руды 3-3,5 0,62-0,74
Обогатительная фабрика
Первая стадия измельчения:
а) в стержневой мельнице 4,0-4,6 0,14-0,16
б) в шаровой мельнице 8,0-9,6 2,6-3,0
Вторая стадия измельчения в шаровой мельнице 8,0 4-10,0 2,6-3,2
Третья стадия измельчения в шаровой мельнице 8,0-10,0 2,6-3,2
Мокрая магнитная сепарация 0,7-0,8 0,6 -1,0
Дешламация 0,2-0,25 0,2-0,24
Внутрифабричная перекачка пульпы и класси- 4,8-5,2 2,0-2,4
фикация (в классификаторах и гидроциклонах)
Фильтрация 1,1-1,3 1,0-1,4
Перекачка хвостов и оборотное водоснабжение 9,0-10,0 2,4-3,0
Итого по обогатительной фабрике 37,0-47,0 12,8-17,4
В целом на железорудных ГОКах России 46,4-58,8 15-20
Примечание. В табл. 4 не учтены вспомогательные процессы, поэтому приведенная себестоимость концентрата несколько ниже фактической.
89
В связи с изложенным, главной проблемой в повышении эффективности работы горнорудных предприятий является совершенствование существующих и разработка новых малоэнергоемких способов и технических средств разрушения руды при добыче и переработке на всех стадиях: на карьере, дробильном комплексе, обогатительной фабрике. Для этого, в первую очередь, необходимо инвестировать научные разработки и осуществлять капитальные затраты для решения именно этой проблемы и, главным образом, при измельчении руды, как наиболее энергоемкого и затратного процесса.
Известно, что энергоемкость разрушения (Э) упругих твердых тел (скальные руды и, в частности, железистые кварциты можно считать упругими) равна
„ [о}2 Дж [а}2 Дж
3 = ~9Ё' или 3 = , -,
2Ь м 2Ьр т
где [а] — предел прочности при разрушении (это может быть предел прочности на сжатие при разрушении сжатием, на растяжение при разрушении растяжением, или на сдвиг при разрушении сдвигом); Е — модуль упругости, р — плотность.
Так как предел прочности породы на сжатие примерно в 6+7 раз больше предела прочности на сдвиг и, примерно, в 8+10 раз больше предела прочности на растяжение, то энергоемкость разрушения породы сжатием будет примерно в 40 и 90 раз больше, чем при разрушении сдвиговыми и растягивающими напряжениями соответственно.
С позиции физической сущности процессов разрушения необходимо совершенствовать существующие и разрабатывать новые технику и технологию этих процессов, исходя из главного принципа: разрушение должно осуществляться, главным образом, за счет создания в разрушаемой породе сдвиговых или растягивающих напряжений, а не сжимающих.
Идеальным случаем разрушения руд при бурении, взрывании, дроблении и измельчении была бы такая ситуация, когда в разрушаемом массиве или куске руды под действием приложенных сил (физических полей) возникали бы напряжение чистого сдвига или чистого растяжения, а при измельчении руды напряжение чистого сдвига или чистого растяжения возникали бы, главным образом, на границе раздела минеральных зерен. В идеальном случае этого добиться невозможно, так как во всех существующих перечисленных
90
процессах разрушающая сила прикладывается к поверхности (при бурении — к поверхности забоя скважина, при взрывании — к боковой поверхности скважины и ее забою, при дроблении и измельчении — к поверхности куска). Единственным способом создания максимально возможных растягивающих или сдвиговых напряжений в массиве или куске руды является размещение разрушающих сил на некоторой глубине от разрушающей поверхности. Такие силы можно создать только за счет немеханического воздействия, а именно: теплового, электрического, магнитного и др., когда разрушающие силы возникают внутри разрушаемого объема породы.
Исходя из изложенного, стратегической задачей совершенствования процессов разрушения горных пород и железной руды, в частности, является создание способов и средств разрушения за счет сдвиговых и растягивающих напряжений. Например, на стадии обуривания массива следует применять такие технику и технологию, которые бы позволяли получать многококловые зарядные полости заданной конфигурации, которые бы способствовали повышению эффективности взрывной отбойки руды от массива за счет сдвиговых напряжений, возникающих при суперпозиции сжимающих напряжений в массиве от смежных котловых зарядов [5]. На стадии взрывной отбойки руды от массива следует применять такие схемы коммутации взрывной сети, которые способствовали бы повышению эффективности процессов измельчения руды за счет разупрочнения межзерновых связей по площадке наибольшего срастания минеральных зерен. Применительно к взрывной отбойке железистых кварцитов такими площадками являются плоскости минеральных зерен, которые параллельны слоистости железистых кварцитов. Техническая реализация этой идеи подробно изложена в работе [5].
Одним из перспективных направлений снижения энергозатрат при измельчении железной руды в мельницах является ее предварительная импульсная электромагнитная обработка в индукторе, через который руда поступает в мельницу. При такой обработке железистых кварцитов в зернах магнетита возникает явление магни-тострикции, а в зернах кварца — явление обратного пьезоэффекта и пьезострикции. При генерации этих явлений на границах магнетита и кварца возникают механические напряжения чистого растяжения и чистого сдвига, что способствует снижению энергоемкости измельчения железистых кварцитов на 10-12%.
91
Указанный способ и устройство для его осуществления изложены в патенте [6].
Снизить энергозатраты при перемещении горной массы в технологических процессах добычи и переработки железной руды, как любой другой руды, возможно только за счет совершенствования существующих технических средств.
Повысить экологическую безопасность при добыче и переработке железных руд возможно: при открытом способе разработки за счет внутренних отвалов, что подробно изложено в работе [7], а при подземном способе разработки за счет использования в качестве закладки выработанного пространства пород от проходки подготовленных выработок и хвостов обогатительных фабрик, что подробно изложено в работах [8, 9].
Анализируя вышеприведенные количественные значения энергетических и стоимостных показателей на основных железорудных ГОКах России, а также исходя из вышеуказанных стратегических и тактических задач совершенствования процессов добычи и переработки железных руд, напрашивается вывод о стратегии инвестиций в развитие техники и технологии железорудного производства. Сущность этой стратегии сводится к следующему: увеличивать капитальные затраты необходимо и целесообразно на тех технологических стадиях разрушения горных пород, которые являются наиболее энергоемкими и которые в наибольшей степени влияют на формирование себестоимости конечной продукции (таким процессом является измельчение руды в мельницах).
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Варичев A.B., Кретов С.И., Кузин В.Ф. Крупномасштабное производство железорудной продукции в Российской федерации. — М.: Горная книга, 2010. — 393 с.
2. Потапов А.И. Докторская диссертация. Физико-техническое обоснование взрывной рудоподготовки железистых кварцитов. — М.: МГИ, 1985.
3. Гончаров С.А. О нецелесообразности увеличения удельного расхода ВВ при буровзрывном дроблении железистых кварцитов на карьерах КМА // Горный журнал. — 2013. — № 4.
4. Гончаров С.А., Дремин А.И., Каркашадзе Г.Г. и др. Повышение коэффициента полезного действия скважных зарядов при производстве взрывов на карьерах // Горный журнал. — 1994. — № 3.
92
5. Гончаров С. А. Физико-технические основы ресурсосбережения при разрушении горных пород. — М.: Из-во МГГУ, 2007. — 209 с.
6. Ананьев П.П., Гончаров С.А., Бельченко Е.Л. и др. Евразийский патент № 003853 «Способ разупрочнения материалов кристаллической структуры и устройство для его осуществления». 30 октября 2003 г.
7. Ильин С.А., Коваленко В.С., Пастихин Д.В. Преодоление изначальных недостатков открытого способа разработки: опыт и результаты // Горный журнал. — 2012. — № 4.
8. Томаев В.К. Комбинату «КМАруда» — 60 лет: итоги и перспективы развития // Горный журнал. — 2013. — № 4.
9. Каплунов Д.Р., Лейзерович С.Г., Томаев В.К. Энергопроизводство при подземных закладочных работах // Горный журнал. — 2013. — № 4. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Гончаров Степан Алексеевич — доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет, [email protected]
93
