CC BY
106
© Д.Р. Каплунов, М.В. Рыльникова, 2008
УДК 502.76:553:042
Д.Р. Каплунов, М.В. Рыльникова
РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РЕАЛИЗАЦИЯ ИДЕЙ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ НЕДР
Пленарное заседание
В современных условиях важнейшим направлением повышения эффективности горных и металлургических технологий, особенно при добыче и производстве цветных, драгоценных и редких металлов, является рациональное и комплексное использование минеральных ресурсов. В связи с этим ограниченность и невосполнимость минерального сырья, истощение промышленных запасов в условиях постоянного роста потребления вызывают необходимость нового научно-методического подхода к решению проблем проектирования комплексного освоения и сохранения недр Земли, отвечающего требованиям повышения полноты и комплексности использования сырья. Последнее связано также со снижением среднего содержания ценных компонентов в добываемой руде, накоплением на поверхности Земли больших объемов техногенных образований, сопоставимых по объемам накопления и содержанию ценных компонентов (табл. 1, 2) с природными месторождениями. В табл. 1 и 2 приведены данные по объемам накоплений ценного минерального сырья в хвосто-хранилищах предприятий, разрабатывающих медно-колчеданные месторождения Южного Урала. Эта картина является типичной для горнодобывающих предприятий, осуществляющих добычу твердых полезных иско-
паемых сложного вещественного состава.
Объем накопленных запасов ценных компонентов в хвостохранилищах определяет целесообразность отнесения их к техногенным месторождениям.
С другой стороны, уровень негативного экологического воздействия техногенных образований, ввиду миграции тяжелых металлов и редких элементов в окружающую среду, обуславливает необходимость изыскания эффективных технологий вовлечения в промышленную эксплуатацию бедных руд и отходов их добычи и переработки.
В связи с этим уместно отметить, что проблема исчерпаемости недр и связанное с ней перспективное снижение объемов добычи полезных ископаемых, на которое многократно указывалось в середине прошлого века, оказалась преувеличенной. Недра, как средоточие различных георесурсов - неисчерпаемы. Это условие самого существования человеческого общества. Меняются глубина разведанных и эксплуатируемых запасов, уровень требований к качеству вовлекаемых в освоение георесурсов и геотехнологиям, которые это обеспечивают.
Г енетическое многообразие рудных месторождений, условий их залегания, географического расположения, свойств руд, вмещающих пород и
Таблица 1
Характеристика хвостохранилиш Южного Урала
Наименование Ед. БМСК Учалинский Бурибаев- Гайский
изм. Новое Старое ГОК ское РУ ГОК
1. Площадь по отводу земли га 146,2 23,5 113 31 190
2. Мощность вертикальная М до 25 до 22 до 21 до18 до40
3. Длина м 1560 740 1700 600 -
4. Ширина м 600 350 750 600 -
5. Период эксплуатации г 1966- 2005 1959- 1966 1969-2010 1942-1970, 1971- наст.вр. до 2010
6. Ориентировочные запасы 7. Содержание основных элементов: млн т 14 4,5 40,8 5,5 40
медь % 0,2 0,24 0,22 0,45 0,3
цинк % 0,52 0,43 0,63 0,21 0,23
сера % 21,2 26,5 23,1 25,59 26,6
железо % 34,3 28,0 29,49 23,12 13,87
золото г/т 0,8 1 0,6 1,2 0,7
серебро г/т 18 20 8,5 10,3 4,0
Таблица 2
Содержание основных ценных компонентов в хранилищах отходов обогащения руд Южного Урала
Хвосты обогати-
Содержание элементов
тельных фабрик Медь тыс.т Цинк тыс.т Сера тыс.т Железо тыс.т Золото т Серебро т
Г айская 120 92 10640 5548 32 160
Бурибаевская 24,84 11,549 1412,6 1276,2 6,62 56,80
Учалинская 89,7 257,04 6306,30 8050,8 16,38 232,05
Сибайская 34,40 89,44 3646,40 5899,6 13,84 344
Всего: 239,30 326,83 22005,30 20774,6 68,84 792,85
сопутствующих техногенных образований, делают осваивающие их системы исключительно сложными. Горнотехнические системы - это совокупность горных конструкций и технологических подсистем во взаимодействии с вмещающими их участками недр.
Проектирование таких систем, выбор геотехнологических параметров разработки месторождений и соответствующего конструктивного офор-
мления представляет, с учетом неопределенности исходной информации и длительного срока реализации проектных решений, исключительно ответственную по своим последствиям задачу. Именно под давлением указанных обстоятельств развивалась теоретическая база проектирования комплексного освоения недр, а также определялись особенности реализации последнего.
«Комплексная идея» разработки полезных ископаемых, выдвинутая и описанная в общих чертах академиком А.Е. Ферсманом в 1932 году, получила свое развитие с позиций государственной значимости комплексного освоения месторождений и была обоснована академиками А.В. Сидоренко, Н.В. Мельниковым и В. В. Ржевским в конце шестидесятых - начале семидесятых годов XX века.
Развитием этих работ явилась предложенная академиком М. И.
Агошковым в 1982 г. классификация ресурсов земных недр, направленная на решение проблем комплексного использования 6 групп георесурсов, включающих не только полезные ископаемые, но и все сопутствующие добыче минеральные ресурсы различного фазового состояния и сформированные в ходе горных работ выработанные пространства.. Причем, понятие комплексного освоения предусматривало, с одной стороны, полное использование всех осваиваемых георесурсов, с другой стороны, комплексное освоение месторождений рассматривалось с позиций сочетания существенно различных способов добычи для достижения максимального народнохозяйственного и социального эффекта от вовлечения ресурсов недр в промышленную эксплуатацию.
Академик К.Н. Трубецкой в 1990 г. расширил и углубил данное представление, введя новые понятия: реально выявленные ресурсы недр, их потенциальные ресурсы, ресурсовоспроизводящие функции горного производства и ресурсовоспроизводящие технологии.
Дальнейшее развитие представлений о комплексом освоении недр связано с переходом к понятию комплексного освоения в новом, фундаментальном его содержании, когда недра воспринимаются обществом в
качестве многофункционального, изменяемого техногенного ресурса его жизнедеятельности. В работе, удостоенной премии РАН им. Н.В. Мельникова, освоение недр было определено, как технологически особый вид человеческой деятельности. Освоение предполагает любой вид преобразования недр (изменения вещественного состава, структуры, состояния и свойств) в процессе реализации мероприятий по извлечению из недр и комплексному использованию георесурсов с обеспечением сохранения экологического равновесия среды.
В связи с этим задачей горного проектирования является выбор таких геотехнологий, которые не приводят к деградации территорий, атмосферы и гидросферы в регионе действия горного предприятия, а влекут сокращение выхода и накопления твердых отходов добычи и обогащения полезных ископаемых.
Новая развернутая понятийная основа дала возможность выдвинуть и обосновать новую систему знаний о закономерностях и способах управляемого техногенного преобразования недр - их комплексного и экологически безопасного освоения и сохранения. С учетом этого определена основная концепция горных наук -это выявление закономерностей развития горнотехнических систем в связи с последствиями освоения недр для природы и общества. Современная концепция теории проектирования комплексного освоения недр предполагает:
• - осознание недр Земли, как средоточия генетически и пространственно взаимосвязанных георесурсов разнообразных видов и назначения;
• - отказ от традиционного представления об исчерпаемости недр и признание за ними, как за многофункциональным ресурсом жизнедея-
тельности, возможности использования в новых полезных качествах по мере проявления расширяющихся и углубляющихся общественных потребностей;
• - отказ от понимания горных технологий лишь в смысле добычи и переработки полезных ископаемых и переход к представлению об их более общих ресурсовоспроизводящих функциях;
• - переход от фрагментарного изучения горных объектов и процессов к установлению закономерностей взаимодействия природных и техногенных геосистем;
• - переход от использования недр лишь в виде добычи и утилизации полезных ископаемых к сохранению недр в ходе комплексного освоения с воссозданием и увеличением их полезных качеств.
В связи с этим, теория проектирования освоения недр, решая проблемы обеспечения потребности общества в необходимых георесурсах, не останавливается лишь на проблемах сведения баланса производства и потребления минерального сырья, а предусматривает решение проблем сохранения и увеличения природного богатства и экологического потенциала недр.
Таким образом, в современных условиях комплексное освоение недр предусматривает совокупное наличие двух неотъемлемых условий - это безотходное (малоотходное) использование всех вовлекаемых в ходе освоения участка недр георесурсов и извлечение их рациональным сочетанием технологических процессов и оборудования различных способов добычи. Причем, одно без другого либо невозможно, либо явно неэффективно при вовлечении в промышленную разработку всех запасов месторождения монотехнологией.
Важно отметить, что длительное освоение рудных месторождений физико-техническими способами привело к существенному истощению балансовых запасов и снижению их качества, а также, как уже отмечалось, к накоплению большого количества отходов горно-металлургического производства в виде складированных хвостов обогащения и металлургических шлаков, отвалов некондиционных руд и вмещающих пород, промышленных стоков.
Вовлечение указанных минеральных ресурсов в эффективное промышленное использование возможно только сочетанием традиционного открытого и подземного способов добычи и процессов физико-химической геотехнологии на основе кучного и подземного выщелачивания ценных компонентов из некондиционного сырья. Использование выработанного пространства карьера, отработанных камер в виде технологического пространства для реализации процессов физико-химических технологий, применение для вскрытия запасов ранее пройденных открытых и подземных выработок, а минерализованных промышленных вод - в качестве активного растворителя ценных компонентов позволяет существенно повысить экономическую эффективность и экологичность горных работ, а также за счет этого снизить уровень кондиций на вовлекаемые в разработку природные и техногенные минеральные ресурсы. Обязательным условием комплексного освоения участка недр является также использование отходов в технологии закладки выработанного подземного пространства.
Минеральный состав руд и геологическое строение генетически однородных близкорасположенных рудных и нерудных месторождений являются определяющими факторами
Рис. 1. Принципиальная технологическая схема комплексного освоения природных и сопугствуюших техногенных месторождений: 1 - земснаряд; 2 - пульповод; 3 -обогатительная фабрика; 4 - дозирующий бункер; 5 - доставка компонентов шихты из склада (6); 7 - окомкователь; 8 - система конвейеров; 9, 10 - временный склад окатышей; 11 -приемный бункер; 12 - штабель окатанного материала; 13 - выработки для сбора продуктивного раствора; 14 - комплекс переработки продуктивного раствора; 15 - консольный штабелеукладчик; 16 и 18 - формируемый и выщелачиваемый штабель окатанного материала; 17 - склад отходов выщелачивания (после извлечения полезных компонентов); 19 - система орошения; 20 - прудки продуктивного и маточного растворов; 21 - закладочный комплекс; 22 - копер; 23 - искусственный массив на основе твердеющей закладочной смеси; 24 - массив окатышей; 25 - формируемый массив гидравлической закладки
при выборе геотехнологической стратегии их освоения. Для повышения полноты и комплексности освоения недр представляется перспективным формирование единого горнообогатительного комплекса по добыче и глубокой переработке руд (рис. 1). На одной промышленной площадке размещены рудник, обогатительная фабрика, площадка для кучного выщелачивания и узел переработки продуктивных растворов, а также закладочный комплекс по утилизации отходов кучного выщелачивания в закладке.
При этом, наряду с эксплуатацией балансовых запасов месторождения
физико-техническими способами добычи (открытым, открыто-подземным и подземным), в разработку методом подземного выщелачивания вовлекаются забалансовые залежи бедных руд сложного вещественного состава, методом кучного выщелачивания -бедные руды, размещенные в отвалах, и техногенные отходы горно-обогатительного и металлургического производства. В качестве активного рабочего агента в процессах выщелачивания используются минерализованные стоки, имеющие зачастую кислую или щелочную среду, что позволяет использовать их модификации с различными добавками в качестве рас-
творителей извлекаемых из руд ценных компонентов. Попутное извлечение содержащихся в минерализованных стоках металлов и других элементов при переработке продуктивных растворов выщелачивания методами гидрометаллургии позволяет, с одной стороны, получить дополнительную товарную продукцию, с другой стороны, способствует очистке свободного от технологического процесса остатка промышленных стоков перед сбросом их в окружающую среду.
Причем, вскрытие и подготовка залежей для подземного выщелачивания производится из выработок действующего подземного рудника или из карьера, что также повышает эффективность и привлекательность комбинированных технологий. Твердые отходы выщелачивания используются для приготовления твердеющей закладочной смеси, размещаемой в выработанное пространство и служащей для управления геомеханическим состоянием массива при подземной добыче руды.
Рис. 2. Схема подготовки локального рудного тела к подземному выщелачиванию с использованием вертикальных выработок:
1 - буровой восстающий; 2 -буровая заходка; 3 - восстающий для оценки раскрытия трещин; 4 - отрезной орт; 5 - буровой штрек; 6 - погрузочный орт; 7 емкость для сбора продуктивного раствора; 8 - камера под лебедку
Эффективность подземного выщелачивания в базовой горнотехнической системе комплексного освоения месторождений
комбинированными геотехнологиями обуславливается расположением
рудных тел в зоне уже пройденных вскрывающих выработок подземного рудника. Это - локальные рудные тела или залежи с низким содержанием ценных компонентов, либо повышенным количеством вредных примесей. В зависимости от размеров рудных тел и их формы предлагаются две схемы подземного выщелачивания, представленные на рис. 2 и 3.
В устойчивых рудах и достаточно крепких вмещающих породах при ограниченной горизонтальной мощности рудного тела (до 25 м) бурение скважин для орошения массива це-леесообразно осуществлять из вертикальных буровых выработок (рис. 2). Если руды неустойчивые или залежи имеют большую мощность (25 м и более), орошение необходимо проводить через скважины, пробуренные к массиву подготовленной к выщелачиванию руды из подготовительного штрека или с поверхности (рис. 3). В крепких и устойчивых рудах рекомендуется в камере создавать оросительную потолочину с перфорацион-
ными каналами, сформированными путем взрыва кумулятивных зарядов. Необходимым условием эффективной реализации методов подземного выщелачивания является присутствие по контуру выщелачиваемого массива водоупора.
Размещение штабелей кучного выщелачивания предварительно подготовленных отходов обогащения целесообразно производить в выработанном пространстве отработанного карьера (рис. 4), что позволяет свести к минимуму экологическое воздействие физико-химических технологий на окружающую среду. В этой связи весьма важно, что все твердые отходы выщелачивания, как бедных руд из отвалов, так и окомкованных хвостов обогащения колчеданных руд, могут быть эффективно использованы для приготовления твердеющей закладочной смеси с использованием в качестве вяжущего обожженного известняка, добываемого открытым способом из близлежащих сопутствующих месторождений.
Ввиду простоты технологической схемы приготовления твердеющей закладки из отходов выщелачивания) -
Рис. 3. Схема подготовки локального рудного тела средней мощности к подземному выщелачиванию: 1
- вентиляционно-ходовой восстающий; 2 - буровой штрек, 3
- штрек для подачи раствора выщелачивания; 4 — выработки для сбора и транспортировки продуктивного раствора; 5 -прудок накопитель
исключается необходимость дробления и измельчения компонентов закладочной смеси, перемешивание всех составляющих производится непосредственно в смесителе, закладочный комплекс может быть размещен непосредственно на берме в основании карьера, откуда закладочная смесь по скважине подается в выработанное пространство очистных камер подземного рудника.
Таким образом, рекомендуемая к использованию при проектировании комбинированной геотехнологии базовая горнотехническая система комплексного освоения месторождений руд сложного вещественного состава (рис. 1) включает в себя технологические подсистемы по извлечению балансовых запасов месторождения открытым способом системами с внешним отвалообразованием пород вскрыши и подземным способом -системами разработки с твердеющей закладкой выработанного пространства на основе отходов выщелачивания бедных руд и отходов обогащения. Самостоятельной подсистемой представлен комплекс подземного выщелачивания некондиционных руд на месте залегания и комплекс кучного выщелачивания в карьере, на поверхности и в подземных камерах предварительно окомкованных теку-
Рис. 4. Кучное выщелачивание окомкованных хвостов обогащения в отработанном карьере: 1 - вентиляционный штрек, 2 - вентиляционно-ходовой восстающий, 3 -доставочный штрек, 4 - рудоспуск; 5 - откаточный штрек; 6 - штабель окатанного материала; 7 - система орошения; 8 - искусственная потолочина; 9 - прудок для сбора продуктивного раствора
щих и старогодних (размещенных в хвостохранилище) отходов обогащения.
На единой промплощадке соответственно проекту базовой горнотехнической системы предусмотрено также размещение цеха обезвоживания и окомкования текущих и лежалых хвостов обогащения для последующего выщелачивания, цеха приготовления твердеющей закладочной смеси для закладки подземного выработанного пространства и цеха гидрометаллургической переработки продуктивных растворов выщелачивания.
Обязательным условием достижения требуемой эффективности и комплексности освоения месторождений руд сложного вещественного состава является установление в базовом проекте на разработку место-
рождения условий применения комбинированных геотехнологий в их различных сочетаниях.
Таким образом, комбинирование технологий не должно быть вынужденной мерой при затухании горных работ одним из способов добычи, а должно стать обязательным постулатом, введенным в проект комплексного освоения участка недр.
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 их техногенных образований, с использованием
сформированных открытыми и подземными работами выработанных пространств.
Комбинирование геотехнологий - это необходимое и достаточное условие проектирования комплексного освоения недр, которое обеспечивает:
• - наиболее полное и экономически оправданное извлечение из недр основных и попутных полезных ископаемых различных по составу и качеству компонентов на всех стадиях трансформации добываемой горной массы до получения заданного проектом товарного продукта;
• - рациональное использование вскрышных пород и пород попутной добычи;
• - полезное использование пустот, формируемых горными работами, а также тепла земных недр, глубинных газов, подземных вод;
• - вовлечение в эффективную промышленную эксплуатацию накопленных в техногенных образованиях и формирующихся отходов производства;
• - повышение качества минерального сырья путем проведения специальных геотехнологических процессов подготовки природных и техногенных залежей к эксплуатации;
• - сохранение саморегулирующей и самовосстанавливающей функции недр за счет установления допустимых технологий и масштабов их освоения.
От совершенства методов проектирования, научной обоснованности принимаемых решений зависят темпы научно-технического прогресса. Последний призван обеспечить рост потребностей народного хозяйства в различных видах минерального сырья не только и не столько при вводе в эксплуатацию новых месторождений
и увеличении мощности действующих рудников, а, в первую очередь, за счет более полного, рационального использования разведанных запасов уже разрабатываемых месторождений, а также утилизации разнообразных отходов горнодобывающего производства. В связи с этим значительно возрастают требования к глубине изучения месторождений и дифференциации разведанных запасов по составу и качеству всех полезных компонентов в свете возможностей новых технологий, основанных на современных достижениях фундаментальных наук.
Длительное развитие в нашей стране горнодобывающей промышленности по отраслевому принципу предполагало формирование предприятий, ориентированных на извлечение основных компонентов, содержащихся в рудах месторождения. Вопросы оценки содержания и извлечения попутных ценных компонентов часто в проектах на разработку месторождений либо вообще не ставились, либо не рассматривались, ввиду отсутствия эффективных решений. Поэтому зачастую драгоценные металлы и редкоземельные элементы, присутствующие в рудах преимущественно в труднораскрываемых минеральных формах, поступали в хвосты, размещаемые и накапливаемые в хво-стохранилищах.
Несмотря на постоянное совершенствование технологического процесса и высокие показатели обогащения методом флотации, выход хвостов по отношению к исходным рудам составляет 40-90 %. Кроме того, на горных предприятиях помимо потерь металлов, содержащихся в забалансовых и глубокозалегающих телах, отходах производства, теряются ценные компоненты, растворённые в высокоминерализованных водах. Так, только
на Башкирском медно-серном комбинате с промышленными стоками ежегодно теряется 210 т меди.
Принципы и стратегия рационального освоения рудных месторождений на перспективу должны быть ориентированы на создание новых процессов и технологий комбинированной экологически безопасной их разработки.
Проведенными исследованиями применительно к медно-колчеданным месторождениям Урала, характеризуемыми неоднородностью вещественного состава руд, содержанием широкого спектра ценных компонентов, которые присутствуют преимущественно в виде изоморфных включений в сульфидах, доказана эффективность использования в комбинированных геотехнологииях физикохимических способов выемки различных типов руд в недрах и утилизации техногенных образований на поверхности горного отвода.
Анализ ресурсного потенциала минерально-сырьевой базы предприятий, осваивающих медно-колчеданные месторождения Урала - кондиционных и некондиционных руд, отходов их добычи и переработки, в соответствии с особенностями структуры, минерального и химического состава, оказывающих определяющее влияние на выбор геотехнологий, позволил сформулировать требования к геотехнологии комплексного освоения природных и техногенных образований различного вида, приведенные в табл. 3.
Многообразие технологических решений по использованию балансовых, бедных и забалансовых руд, отходов добычи и переработки и позитивные предпосылки комплексного освоения медно-колчеданных месторождений, определили необходимость систематизации георесурсов в зависимости от
процессов образования, условий залегания и хранения, особенностей вещественного состава с целью обоснования перспективной геотехнологии вовлечения каждой группы георесурсов в промышленную эксплуатацию.
Основную часть балансовых запасов месторождений предпочтительно извлекать методами физико-технической геотехнологии - открытым, подземным или сочетанием процессов этих способов с переработкой руд на обогатительных фабриках. Повышение полноты выемки запасов природных руд, оставленных за контуром разработки, достигается путем рационального сочетания процессов и оборудования открытых и подземных горных работ, а для вовлечения в эксплуатацию особо сложных участков и освоения труднодоступных запасов - физико-химическими технологиями с поверхности или из существующих выработок.
Для этого были разработаны типовые технологические схемы комплексного освоения рудных месторождений комбинированными геотехнологиями, перспективы развития которых связаны с переходом на комплексное проектирование поэтапной отработки месторождения различными способами при единой схеме вскрытия и подготовки запасов, предусматривающей оптимизацию порядка вовлечения отдельных участков месторождения в эксплуатацию соответствующими способами добычи.
Например, в отдельных промышленных регионах - Учалинском, Си-байском, Акьярском применительно к группам генетически однотипных, близко расположенных месторождений можно поэтапно вводить в эксплуатацию их отдельные участки и формировать комплексные решения по вскрытию и отработке запасов в
30
Таблица 3
Характеристика природных и техногенных георесурсов в свете перспектив их комплексного использования
Процессы образования Характеристика сырья по условиям залегания, хранения и эксплуатации Возможности и направления комплексного использования при традиционных способах добычи Перспективы вовлечения в эксплуатацию комбинированной геотехнологией на основе сочетания физико-технических и физико-химических геотехнологий
1 2 3 4
Природные Балансовые запасы месторождений Разработка открытым, подземным и открыто-подземным способами, обогащение флотационным методом с получением в качестве готовой продукции медного, медного и цинкового концентратов. Основная часть балансовых запасов месторождения извлекается и перерабатывается флотационным методом или физико-химическими геотехнологиями
Балансовые запасы, оставленные за контуром разработки Запасы в охранных целиках, в основании карьера, в выклинках рудных тел и на контактах с вмещающими породами, в закладке, в зонах обрушения не отрабатываются по условиям безопасности или ввиду убыточности. Сочетание процессов открытых и подземных горных работ с освоением сложных участков физико-химическими технологиями с поверхности или из существующих выработок.
Забалансовые запасы, бедные и некондиционные руды Оставление в недрах ввиду убыточности технологий разработки известными методами Вскрытие запасов и подготовка рудных тел из существующих выработок для реализации физико-химической геотехнологии на основе выщелачивания; переработка продуктивных растворов с получением товарных концентратов; выщелачивание и обогащение руды на месте залегания; добыча обогащенной в недрах руды сложного вещественного состава для гидро- и пирометал-лургические процессы переработки
31
1 2 3 4
Техногенные Отвалы вскрышных пород Использование для нужд строительной индустрии, в составе закладочной смеси. Разработка открытым способом для применения в строительной индустрии. Рекультивация с использованием освобожденных территорий для нужд сельского хозяйства и в других отраслях.
Отвалы бедных руд В результате окисления при хранении не подлежат обогащению флотацией. Открытая добыча, сепарация, раздельное складирование руд различного качественного состава. Переработка руды физико-химической технологией. Кучное выщелачивание бедных руд с утилизацией отработанного сырья в выработанном подземном пространстве.
Хвосты обогатительных фабрик Складирование и долговременное хранение в хвостохранилищах. Использование в составе закладочной смеси без доизвлечения ценных компонентов. Сухое складирование на специально подготовленных полигонах и подземных выработках, выщелачивание на поверхности и в выработанном пространстве, утилизация в составе закла-
Пиритный концентрат Складирование в отвалы ввиду отсутствия спроса дочной смеси материала, прошедшего технологический цикл переработки физикохимическими методами
Специфические отходы производства: просыпи, отходы рентгенометрической сепарации и другое Складирование на дневной поверхности в отдельных отвалах, либо в отвалах и хранилищах других отходов производства. Разработка эффективных технологических схем с применением процессов физико-химической геотехнологии. Утилизация в выработанном пространстве после доизвлечения ценных компонентов
Минерализованные промышленные стоки Локализация в коллекторах (технологических прудах), отработанных карьерах. Очистка до норм ПДК и сброс в природные водоемы. Использование в обороте обогатительных фабрик. Глубокая очистка с извлечением широкого спектра ценных компонентов, сброс в природные водоемы. Использование в качестве химического агента и транспортирующей среды при выщелачивании.
Выработанное пространство Использование карьеров в качестве хранилищ отходов горно-обогатительного производства. Закладка подземных горных выработок. Локализация подземных пустот. Использование в качестве хранилищ различного назначения, а также в качестве технологического пространства для реализации физикохимических процессов.
а)
Рис. 5. Горнотехнические системы формирования и комплексного освоения техногенных месторождений из текущих отходов обогащения: а - с формированием намывных массивов и выщелачиванием ценных компонентов: 1
- обогатительная фабрика; 2 -поверхностный закладочный комплекс подземного рудника; 3-7 - выработки подземного рудника с расположенными в них закладочным трубопроводом, дренажных узлов и системы сбора и циркуляции растворов выщелачивания; 8 - формируемый массив гидравлической закладки; 9 - оросительная система для выщелачивания специально подготовленного массива 10; 11 - направление циркуляции растворов выщелачивания на откаточном горизонте; 13, 14 - участковые водосборники для сбора соответственно дренажных вод и продуктивных растворов; б - с формированием массива оком-кованного материала на полигоне кучного выщелачивания: 1
- склад компонентов шихты для окомкования; 2 - доставка компонентов шихты в дозирующие бункера (3) окомкователя (4);
5 - система конвейеров и консольный штабелеукладчик (6); 7 и 8 - соответственно формируемый и выщелачиваемый штабель окатанного материала; 9 - прудки продуктивного и маточного растворов; 10 - комплекс переработки продуктивного раствора; 11 - склад отходов выщелачивания (после извлечения ценных компонентов); 12 - поверхностный закладочный комплекс; 13-16 - выработки подземного рудника; 17 - твердеющий массив отходов выщелачивания
б)
едином технологическом проекте с общими транспортной схемой, закладочным комплексом, вспомогательными цехами; технологией утилизации и переработки отходов; наконец, рациональной схемой инвестирования строительства с получением положительных денежных потоков в достаточно короткие сроки.
Новым научным направлением комплексного освоения недр является
целенаправленное формирование из отходов переработки руд техногенных месторождений с заданными характеристиками. При этом решаются вопросы: экономии природного минерального сырья за счет использования техногенного; получения дополнительной товарной продукции; сохранения качества отходов путем формирования техногенного месторождения с заданными технологиче-
а)
б)
Рис. 6. Горнотехнические системы разработки действующего (а) и законсервированного (б) хвостохрани-лища:
а: 1 - земснаряд; 2 - пульповод; 3 - обогатительная фабрика; 4
- гидроциклоны; 5 - вакуум фильтры; 6 - система конвейеров; 7 - обезвоженные хвосты; 8 - склад компонентов шихты для окомкования; 9 -бункер-дозатор; 10 - окомкователь; 11,
12 - временный склад окатышей; 13 - копер; 14 - комплекс переработки продуктивного раствора; 15, 16, 17, 19, 20 -выработки подземного рудника; 18 - массив окатышей; на схеме; б: 1 -хвостохранилище; 2 -цепной экскаватор; 3 - система конвейеров; 4 - склад компонентов шихты для окомкования; 5 - бункер-дозатор; 6 - оком-кователь; 7 - консольный отва-лообразователь; 8 и 9 - соответственно формируемый и выщелачиваемый штабель окатанного материала; 10 - система орошения; 11 - прудки продуктивного и маточного раствора; 12 - комплекс переработки продуктивного раствора;
13 - склад отходов выщелачивания (после извлечения ценных
поверхностный закладочный комплекс; 15, 16, 17 - выработки подзем-
компонентов; 14
ного рудника; 18 - закладочные скважины с использованием отходов выщелачивания для закладки выработанного пространства
скими параметрами, обеспечивающими возможность их освоения в будущем; сокращение площади отчуждения земель, занимаемых под хвосто-хранилища; снижения экологического воздействия на окружающую среду.
Определяющее влияние на выбор технологической схемы промышленной эксплуатации отходов переработки руд цветных металлов оказывают условия их формирования, складирования и хранения. По этим признакам отходы разделены на 4 вида:
• текущие - на выходе с обогатительной фабрики после завершения всех процессов обогащения;
• затопленные - находящиеся в действующем, постоянно пополняемом хвостохранилище под водой с изменяющейся концентрацией элементов, ЕЬ и рН среды, в зависимости от режима намыва и природноклиматических условий;
• законсервированные - размещенные в хвостохранилище, в котором осуществляются процессы осушения и консервации;
• лежалые - находящиеся в течение определенного времени в законсервированном хвостохранилище и подвергшиеся процессам вторичного минералообразования и изменению структуры массива.
Такая классификация позволяет обеспечить дифференцированный подход к проектному обоснованию технологии вовлечения отходов в комплексное освоение недр комбинированной геотехнологией.
Технологические схемы утилизации текущих отходов обогащения в выработанном подземном пространстве без доизвлечения ценных компонентов предполагают их частичное обезвоживание. Обезвоженные хвосты обогащения используются для заполнения выработанного пространства подземных камер гидравлической или твердеющей закладкой. В горнотехнической системе, представленной на рис. 5, а, отходы обогащения, помещенные в выработанное пространство подземных камер, с целью до-извлечения ценных компонентов подвергаются выщелачиванию.
Реализация технологической схемы (рис. 5, б) предполагает также предварительное обезвоживание текущих отходов обогащения. Обезвоженный материал подается на шихтовку с вяжущими веществами для окомкования с целью получения прочных, пористых и устойчивых в выщелачивающих растворах окатышей, укладываемых в штабели выщелачивания. Продуктивные растворы перерабатываются методами гидрометаллургии. Конечной продукцией данных технологических схем являются товарные металлы и их соединения. Отходы выщелачивания направляются на закладочный комплекс для приготовления твердеющей закладочной смеси, либо их используют в качестве сыпучей закладки для локализации пустот в подземном пространстве.
В действующих хранилищах отходы обогащения полиметаллических руд представляют собой наиболее сложный объект освоения, так как большая часть отходов, залегающих в них, находится под затоплением. Горнотехническая система, представленная на рис. 6а, предусматривает добычу отходов земснарядом. Пульпа обезвоживается, сушится до требуемой влажности и оком-кованиется с добавлением вяжущих материалов. Окатыши требуемых кондиций подаются на промплощадку подземного рудника, затем по клетьевому стволу и системе рудоспусков поступают на вентиляционно-закладочный горизонт, откуда самоходным транспортом доставляются в выработанное пространство. Сформированный таким образом массив разрабатывается методами физико-химической геотехнологии.
Добыча и переработка техногенного сырья из осушенного хвостохранилища производится по схеме, представленной на рис. 6, б. Схема предусматривает валовую выемку отходов механизированными комплексами, предназначенными для работы в вязкой среде, окомкова-ние, кучное выщелачивание массивов, сформированных из окомкованного сырья. По завершению выщелачивания производится расформирование штабелей, транспортирование отработанного сырья на закладочный комплекс подземного рудника для использования отходов выщелачивания в качестве компонента закладочной смеси.
С целью сокращения изъятия дополнительных земель под полигон выщелачивания формирование техногенного массива, представленного оком-кованными текущими отходами обогащения, целесообразно осуществлять в выработанном пространстве карьера. Для этого окатыши, выдержанные на временном складе до набора требуемой прочности, подаются в отработанный карьер и формируются в штабели
для выщелачивания, орошение которых осуществляется системой гибких шлангов и разбрызгивателей. Сбор продуктивного раствора производится как посредством прудков и канав, так и из подземных выработок, пройденных в бортах и в основании карьера. Отходы выщелачивания могут быть оставлены в карьере в виде внутренних отвалов, либо использованы для приготовления закладочных смесей.
Выщелачивание техногенных массивов, формируемых на поверхности или в карьере, подвержено влиянию атмосферных осадков и колебаний сезонных температур на состав и качество выщелачивающих и продуктивных растворов. Устранение этих недостатков достигается при размещении окомкованного сырья в выработках подземного рудника, куда подготовленные окатыши транспортируются по клетьевому, либо наклонному стволу для размещения на рабочих горизонтах. Орошение массива производится с вышележащего этажа, а сбор растворов - из выработок, расположенных на нижележащем горизонте. Продуктивные растворы перерабатываются в условиях подземного рудника или на поверхности. Массив окомкованного материала остается во вторичных камерах.
Массивы старогодних хранилищ сложены слоями, отличающимися вещественным составом и физико-механическими свойствами. Технологическая схема, представленная на рис. 7, предусматривает валовую выемку длительно лежалых отходов механизированными комплексами, транспортирование добытого сырья на участок грохочения и классификацию его по крупности.
Для обоснования возможности применения физико-химической геотехнологии, определения ее парамет-
ров и режимов необходимо проведение комплексных исследований процессов фильтрации растворителя, фазовых переходов элементов из минерального вещества в раствор и извлечения ценных компонентов из продуктивных растворов.
Перспектива комплексного освоения месторождений связана также с необходимостью решения вопросов управления качеством природного и техногенного сырья путем раздельного складирования и переработки сырья различного качественного состава в самостоятельных циклах.
С этих позиций необходимо определить основные положения комплексного освоения месторождений и стратегии сохранения недр Земли, которые в себя включают:
- целостную ресурсно-технологическую оценку осваиваемых месторождений во всем многообразии ресурсов недр;
- освоение недр по этапам с учетом горно-геологической и горнотехнической специфики и пространственного расположения георесурсов, а также приоритетности их извлечения;
- управление освоением ресурсов с контролем изменения их состояния, местоположения и качества;
- предотвращение потерь ресурсов или снижения степени доступности их освоения в будущем;
- мониторинг состояния природных сред на всех этапах освоения месторождений;
- установление параметров функционирования горных предприятий на каждом из этапов освоения месторождений исходя из существования пространственной и временной связи между ними в отношении всех видов ресурсов недр. С этих позиций должны рассматриваться и основные методические положения по конструированию и созданию горнотехнических
Рис. 7. Технологическая схема разработки старогоднего хвостохранилиша путем валовой выемки отходов, фракционного разделения по крупности и переработки кучным вышелачиванием по раздельным циклам: 1 - массив старогоднего хвостохра-нилища; 2 - экскаватор; 3 - конвейерный транспорт добываемых хвостов; 4 - сепарацион-ная установка; 5 - бункер-дозатор надрешетного продукта и компонентов шихты (6); 7 - барабанный окомкователь; 8 - комплекс отсыпки штабелей кучного выщелачивания (9); 10, 11, 13, 14 - выщелачиваемый штабель с системой сбора, циркуляции и переработки продуктивных растворов; 12 - отработанный штабель кучного выщелачивания; 15, 16, 17 -штабели кучного выщелачивания хвостов другого вещественного состава; 18-23 - технологическая схема утилизации хвостов в выработанном подземном пространстве
систем комбинированной геотехнологии, формированию геотехнологиче-ской стратегии освоения месторождений и рудоносных провинций.
Последовательность и пространственные параметры реализации технологических процессов должны быть определены на основе оптимизационного моделирования показателей функционирования всех технологических подсистем с установлением времени вовлечения в промышленную эксплуатацию отдельных природных участков недр, сформированных выработанных пространств и техногенных образований.
Проектирование и реализация новых горных технологий невозможны без решения вопросов:
-увеличения избирательности воздействия на недра и направленного изменения свойств минерального вещества на макро- и микроуровне;
- максимального использования гео-механических, геохимических и других природных аномалий участков недр, минералов и их агрегатов, анизотропии свойств;
-увеличения степени комплексности использования ресурсов рудоносных провинций на базе ресурсовос-произведения;
-повышения степени сопряженности технологических процессов;
-минимального изменения экологической функции недр, как части природной среды.
Создание эффективной физикохимической технологии освоения некондиционных руд, оставленных в недрах и складированных в отвалах, а также отходов обогащения и минерализованных промышленных стоков требует изыскания составов комплексных растворителей, отвечающих требованиям экологической безопасности, селективности перевода ионов металлов в раствор, необходимой интенсивности и эффективности процессов выщелачивания, а также разработки способов формирования массивов для выщелачивания, режимов и параметров физико-химической геотехнологии, с совместным решением вопросов утилизации конечных отходов.
Необходимо отметить, что реализацию процессов физико-химической геотехнологии, позволяющих получать широкий спектр ценных компонентов в виде товарных металлов или промпродуктов, целесообразно осуществлять в комплексе с физико-техническими способами добычи. При этом характеристики физико-технической геотехнологии: способ и система разработки природного месторождения являются факторами, определяющими технологическое пространство реализации физико-химических технологий переработки отходов горно-обогатительного производства. Способ формирования и разработки техногенных месторождений, представленных отходами добычи и переработки руд, утилизация отходов выщелачивания в качестве компонентов смеси для закладки выработанного пространства также зависят от возможностей и параметров физикотехнических технологий.
Проблема выбора варианта реализации процессов комбинированной физико-технической и физико-химической геотехнологии в расширенном
геотехнологическом цикле разработки природных и сопутствующих им техногенных месторождений с последующей утилизацией отходов в закладке обусловило необходимость разработки алгоритма выбора единой технологической схемы комплексного освоения месторождений природного и техногенного сырья (рис. 8).
Составленные на основе представленного алгоритма варианты технологических схем комплексного освоения месторождений медно-колчеданных руд были заложены в качестве исходных данных в геотехнологическую модель обоснования стратегии разработки Ново-Учалинского месторождения. Ново-Учалинское медноцинковое колчеданное месторождение расположено в 2-х км к югу от Учалинского рудника и рассматривается как перспективная сырьевая база для восполнения выбывающих мощностей на других рудниках ОАО "Учалинский ГОК". Месторождение имеет запасы, сопоставимые с Учалинским месторождением, но характеризуется большой глубиной залегания, что и определяет перспективность подземного способа добычи руды.
Для вскрытия запасов месторождения предложено использовать горно-капитальные выработки действующего Учалинского рудника; разработку балансовых запасов предусмотрено вести подземной геотехнологией системами с твердеющей закладкой, а забалансовых рудных тел - методом подземного выщелачивания; вовлечение в отработку сопутствующих техногенных образований целесообразно вести методом кучного выщелачивания в выработанном пространстве отработанного Учалинского карьера с последующей утилизацией отходов горно-обогатительного комплекса в закладке выработанного пространства
Рж. S. Aлгopитм выбо$уа тexиoлoгичecкoй cxeмы комплежиого ocвoeиия мecтopoждeиий пpиpoдиoгo и тexиoгeииoгo cûpbÿ
подземных камер. В качестве главной вскрывающей выработки используется наклонный ствол, оснащенным конвейерным подъемом. Это позволит сократить сроки строительства рудника, а также иметь возможность в случае необходимости увеличить его производственную мощность, в том числе за счет вовлечения в эксплуатацию залежей близлежащих месторождений (рис. 9).
Отработку основных запасов месторождения рекомендуется вести высокопроизводительной этажно-камерной системой разработки с применением современной самоходной техники с подэтажной двухстадийной выемкой руды и композиционной закладкой. Для закладки камер первой очереди рекомендуется использовать твердеющую смесь на основе извести и отходов выщелачивания хвостов обогащения и пиритного концентрата с добавлением при формировании несущего слоя тонкоизмельченных шлаков медной плавки. Камеры второй очереди, за исключением несущего слоя, заполняемого упрочненной твердеющей закладкой, могут быть заложены отработанными отходами выщелачивания текущих хвостов
Рис. 9. Схема вскрытия Ново-Учалинского месторождения
обогащения без дополнительной их подготовки.
Для компенсации потери доходности предприятия в период падения цен на мировом рынке металлов целесообразно в проекте рассмотреть вариант отработки участков некондиционных руд методом подземного выщелачивания. Для этого в планах горных работ необходимо предусмотреть проведение соответствующих подготовительных выработок.
Наличие на Учалинском и Узель-гинском рудных полях генетически однотипных, близко расположенных месторождений, позволяет поэтапно вводить участки месторождений в эксплуатацию, что обеспечивает при крупных инвестициях возможность реализовать комплексные решения по вскрытию и отработке запасов в едином технологическом проекте с общей для группы месторождений транспортной схемой, закладочным комплексом, вспомогательными цехами, технологией утилизации и переработки отходов.
При этом необходима экономическая оптимизация производственных мощностей по добыче и переработке руды с учетом сроков ввода отдельных участков месторождений в эксплуатацию.
Таким образом, предпосылками проектирования комбинированных геотехнологий комплексного освоения месторождений с раширенным циклом производственных процессов являются:
• накопление значительных объемов техногенного сырья, уже прошедшего первичную подготовку, с достаточно высоким содержанием полезных компонентов;
• благоприятная тенденция роста цен на извлекаемые металлы на мировом рынке сырья;
• выполненные в середине XXого столетия исследования процессов выщелачивания меди и цинка на медных и медно-колчеданных месторождениях Урала, благородных металлов и редких элементов на месторождениях урановых руд и золота;
• широкое промышленное внедрение в мировой практике процессов физико-химической геотехнологии;
• возможность, благодаря достижениям фундаментальной химии, комплексного и селективного извлечения из полиэлементного природного и техногенного сырья полезных компонентов заданного качества;
• имеющийся научный задел в области создания и обоснования параметров физико-химической геотехнологии применительно к комбинированной разработке медно-колчеданных месторождений;
• сложившийся дефицит минерально-сырьевой базы на действующих горнодобывающих предприятиях, имеющих развитую произ-водственную и социальную инфраструктуру
В связи с этим применительно к проблеме формирования стратегии освоения рудных месторождений первоочередными задачами являются:
- теоретическое обоснование гео-технологической стратегии комплексного освоения месторождений на основе изучения особенностей их техногенного преобразования, создание технологических схем и способов разработки природных и техногенных месторождений на базе комбинации
процессов открытой, подземной и физико-химических методов добычи
руд;
- обоснование методики определения основных параметров техногенного преобразования природных месторождений с вовлечением в эффективную промышленную эксплуатацию сформированных в результате складирования отходов горно-металлургического производства техногенных месторождений;
- установление закономерностей минерального и химического состава, распределения полезных компонентов и физико-механических свойств минерального сырья в природных и техногенных месторождениях;
- усовершенствование существующих и разработка новых технологических процессов комплексного освоения природных и техногенных месторождений для повышения уровня и комплексности извлечения полезных компонентов путем снижения их потерь в недрах при добыче и переработке, а также утилизации отходов производства.
Важность и сложность решения перечисленных вопросов комплексного освоения месторождений заключается в том, что как комплексное освоение месторождения, так и полнота использования георесурсов, не являются задачами простого сложения отдельных производств, а представляют проблему создания горнопромышленного комплекса с расширенным циклом добычи, переработки руд и утилизации отходов. Этот принцип должен войти в практику проектирования строительства горнодобывающего предприятия, полностью использующего как природные и техногенные георесурсы, так и прогрессивные технологии добычи и переработки руды, адаптированные к горно-геологи-
ческим условиям месторождения и учитывающие специфику
вещественного состава руд.
Реализация требований комплексного освоения месторождений с вовлечением в промышленное использование отходов рудообогащения возможна на основе системного подхода к разработке и формированию технологических схем, при котором каждая из проектных и технологических задач рассматривается в проекте как элемент единой горнотехнической схемы предприятия в целом. При этом эффективность частных проектных решений, связанных с освоением техногенных месторождений, должна оцениваться с позиции обеспечения максимальной эффективности всей технологической схемы освоения месторождения, в рамках единого горно-перерабатывающего комплекса.
1. Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли/РАН, АГН, РАЕН, МИА; Под ред. К.Н. Трубецкого. - М.: Изд-во Акад. горн. наук, 1977. - 478 с.
Научные основы проектирования разработки рудных месторождений постоянно развиваются, приоритетной проблемой является установление взаимосвязей параметров и условий применения горнотехнических систем комплексного освоения месторождений, как совокупности технических, организационных и экономико-экологических решений, обеспечивающих необходимые объемы и качественный состав добываемого сырья в современных и перспективных макроэкономических условиях производства и потребления минеральных ресурсов. Такое развитие теории проектирования способствует наиболее плодотворному взаимодействию горных, геологических и других наук для получения наилучших результатов для природы и общества в освоении и сохранении недр Земли.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Каплунов Д.Р., Калмыков В.Н., Рыльникова М. В. Комбинированная геотехнология. - М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2003. - 560 с. ШИН
— Коротко об авторах----------------------------------------------
Каплунов Давид Родионович - член-корр. РАН,
Рыльникова Марина Владимировна - профессор, доктор технических наук, Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
