CC BY
63
ше и равно 60,682 = 4,10, а размеры выпускных выработок (дучек) не 2,5х2,5 м2, а 2,5x2 м2. Рас-чет^: показали, что при расположении выпускных выработок вместо сетки 6 хбм по сетке 4,2x6 в соответствии с соотношением величин малых
полуосей трехосного эллипсоида выпуска потери и разубоживание руды при системах с обрушением можно сократить примерно в 1,5 раза.
1. Терцаги К. Теория механики грунтов. Госстрой-издат, 1961.
2. Дубынин Н.Г. Выпуск руды при подземной разработке. - М.: Недра, 1965.
3. Малахов Г.М. Выпуск руды из обрушенных блоков. Металлургиздат, 1952, 287 с.
4. Куликов В.В. Совместная и повторная разработка рудных месторождений. - М.: Недра, 1972.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. Терпогосов З.А. Основание блоков и механизация выпуска руды. - М.: Недра, 1977.
6. Шестаков В.А. Рациональные схемы и параметры днищ блоков при системах с массовым обрушением. Фрунзе: Филиал СредазИНТИ, 1964.
7. Шестаков ВА. Сравнительная оценка и пути совершенствования систем разработки месторождений цветных металлов. Фрунзе: Илим, 1966, С. 163-173.
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------
Шестаков В А., Малыгин Р.А., Шаляпин В.Н. — Шахтинский институт Южно-Российского государственного технического университета.
----------------------------------------© В.И. Стрельцов, С.Н. Серышев,
В.И. Колесников, 2004
УДК 622.234.5
В.И. Стрельцов, С.Н. Серышев, В.И. Колесников
ТЕХНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВНЕДРЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ СГДЖЕЛЕЗНЫХ РУД
Семинар № 13
~ШЪ последние годы резко возросло вни--О мание к новому способу разработки месторождений богатых железных руд КМА -способу скважинной гидродобычи. Повышенный интерес к технологии гидроизвлечения определяется преимуществом ее перед традиционными открытым и подземным способами разработки, характеризующейся улучшением техникоэкономических показателей добычи руд, в том числе, за счет:
• возможности эффективной разработки залегающих на глубине 800-1000 м в сложных гидрогеологических условиях место-
рождений железных руд, которые остаются невостребованными обществом уже более 60-ти лет,
• низкой капиталоемкостью строительства производства, не требующего выполнения специальных горных работ на проходку стволов и горноподготовительных выработок;
• снижения в 3-4 раза объема капитальных вложений и ускорения в 1,5 раза срока их окупаемости;
• 100 %-го импортозамещения, так как технические средства (оборудование) изготавливаются на отечественных предприятиях,
• ускорения в 2-3 раза сроков строительства (1,5-1,8 года) и ввода в эксплуатацию предприятия (1,5 года),
• улучшения качества металлургического сырья (до 67,5-69,0 % Ее) и повышения конкурентоспособности товарных руд (в 1,2-1,6 раза),
• достижения рентабельности предприятий до 30 %;
• 95 %-й автоматизации очистных работ и транспортировки руды на склад без присутствия человека,
• снижения в 5-6 раз уровня вредного воздействия производства на окружающие природные ресурсы в районе ведения работ,
• ресурсосбережения при безотходном процессе добычи,
• повышения безопасности ведения горных работ.
В настоящее время способ СГД не может рассматриваться как полный заменитель традиционных технологий. Рождающаяся новая технология требует законодательного, технического, экологического и экономического обоснования условий ее внедрения. Замедленное становление статуса СГД как подземной геотехнологии во многом объясняется предвзятым мнением и инертностью мышления многих специа-листов-горняков о степени рациональности этого способа разработки, что в условиях рыночной экономики не способствует ускорению привлечения инвестиций на внедрение технологии.
Эти различные по содержанию мнения отражают отрицательное отношение к этой новой подземной геотехнологии, характеризующееся следующими критическими предпосылками:
• слабая геологическая информация о месторождениях богатых железных руд,
• относительно низкий коэффициент извлечения руды при СГД,
• не обоснована возможность повторной разработки месторождений,
• необходимость совершенствования технических средств разуплотнения и транспортировки руды на поверхность,
• кажущаяся трудность прогноза изменения напряженно-деформированным состояния подрабатываемых массивов горных пород,
• отсутствие методики технического обеспечения литомониторинга,
• возможность достижения рациональности недропользования при СГД.
Полученные положительные результаты опытно-методических работ на КМА и научно-исследовательских работ по разработке технологических регламентов ВИОГЕМом, подтверждают высокую эффективность СГД и позволяют обобщить важнейшие из этих проблем и пути их решения.
1. Сырьевая база
Запасы месторождений богатых железных руд на КМА, пригодные для отработки способом СГД оцениваются в 20-25 млрд т. Разведанные 40-60 лет назад, эти запасы определены по категориям С! и как прогнозные -Р1, Р2, Р3, что определяет значительный риск выбора заложения добычных (технологических) скважин, установления объемов промышленных запасов и вложение капитальных затрат в целом на производство.
Доизучение месторождений, при традиционных способах разработки, потребует затрат на геологоразведку в пределах одного шахтного поля в объеме 25,0 млн. рублей.
При СГД эта проблемы решается путем использования в качестве геологоразведочных скважин технологических и наблюдательных скважин, что обеспечивает полную компенсацию затрат на эксплуатационную доразведку, особенно с учетом того, что эти скважины самоокупаемы при извлечении из них до 10-15 тыс. т руды.
В настоящее время институтом ВИОГЕМ эта работа выполнена на стадии предпроект-ной проработки для Белгородской горнопромышленной компании по 10-ти участкам месторождений КМА, а также по заданию Минпромнауки России при разработке технологии, технических средств и технологических регламентов для создания предприятия СГД.
2. Параметры извлечения руды из недр
Специфика технологии СГД заключается в селективной отработке руд (коэффициент извлечения 13,7-15 %), так как извлекается рыхлая и полускальная богатая железная руда (прочность при одноосном сжатии до 4ж ^ 3,0 МПа).
Для промышленной разработки месторождений необходимо утверждение кондиций с учетом специфики способа СГД. В конечном итоге вопрос сводится к обоснованию возможности частичной отработки месторождений технологией СГД с последующей разработкой остающихся в недрах запасов более прочных руд (4ж > 3 МПа).
При СГД рекомендуется камерная система разработки с оставлением межкамерных целиков. Остающаяся не извлеченная эрлифтом руда в скважинах, способствует сохранению морфологии рудных тел и уменьшению размеров компенсационного пространства, что обеспечивает повышение устойчивости камер и подрабатываемых массивов горных пород.
В этих условиях не представляет технических затруднений повторная в перспективе разработка месторождений, залегающих на глубине 450-1000 м в сложных гидрогеологических условиях, традиционными открытым или подземным способами при экономической целесообразности получения товарной руды.
3. Технические средства (оборудование), способы разуплотнения (разрыхления) руды в забое скважины
Внедрение технологии СГД обеспечивается 100 % импортозамещением, так как используется отечественное оборудование. Опытнометодические работы показали эффективность формирования в скважинных забоях рудной пульпы с использованием гидромонитора прямого действия. Совершенствование технических средств воздействия на рудный массив для этих целей нами осуществлено разработкой способа формирования очистного скважинного забоя с использованием устройства для отклонения гидромонитора от оси скважины на 7,5 м при вертикальном углублении забоя на 14 м (Заявка на изобретение № 2002134842 от 29.12.02 г.).
Так как при СГД используется в основном оборудование, применяемое при геологоразведочных работах, проблемы его комплектации также не представляют технических затруднений.
4. Транспортировка руды на поверхность
Рис. 1. Схема формирования очистного пространства скважины (камеры): т - мощность рудной залежи, к -диаметр формируемой камеры, d и е - зоны соответственно активного и пассивного технологического разуплотнения руды, 1, 2,..., I - места фиксирования гидромониторного снаряда при отработке интервала, а], а2,..., а1 - подошва руды, отрабатываемой очередным интервалом, с], с2,...,с1 - кровля руды в отработанном интервале, в1, в2,..., б1 - поверхность отмытой руды, не поддающаяся эрлифтному подъему, - компенсационное про-
странство после отработки очередного интервала
Технология гидроизвлечения (эрлифтный подъем рудной пульпы на поверхность) апробирована на практике. Ее эффективность зависит от многих факторов, в том числе от параметров трубопроводов, качества рабочих агентов, высоты устройства эрлифта, объема рудной пульпы, поступающей к всасу, ее плотности и соблюдения регламента гидродобычных работ. Для каждой конкретной скважины переменными факторами, поддающиеся регулированию (управлению их параметрами) в процессе гидродобычи, является качество рабочих агентов и плотность эрлифтируемой рудной пульпы. Оптимизация работы эрлифтной системы и управление этими переменными параметрами обеспечивает непрерывный процесс гидроизвлечения руды со скважинных забоев.
5. Формирование очистного пространства
Геометрия выработанного пространства зависит от объема извлекаемой из забоя рудной массы и определяет степень напряженно-деформированного состояния стенок (бортов) формирующейся забойной выемки (камеры) и подрабатываемых в кровле массивов горных пород. При увеличении объема добываемой руды из скважины повышается эффективность технологии СГД. Однако возможно ухудшение условий работы эрлифтной системы при неуправляемом обрушении «бортов» камеры и резком увеличении консистенции пульпы, что приводит к остановке процесса гидроизвлечения. Кроме того, неуправляемое формирование
крсвля рудной залежи
0 0 2 4 6
Расстояние от оси до границы каемры, м
очистного забоя приведет к несоблюдению условий содержания камеры в устойчивом состоянии.
Таким образом, для подготовки рудной пульпы и поддержании забоя в устойчивом состоянии необходимо управление процессом формирования выработанного пространства, обеспечивающее не только стабильность гидродобычного процесса, но и достижение расчетной формы устойчивой камеры. Это возможно при соблюдении режима формирования очистного пространства камеры, основанного на соблюдении заданного показателя «продуктивности скважины» с одного погонного метра рудной залежи.
На рис. 1 схематически показана очередность отработки камеры. Положение гидромонитора соответствует очередному интервалу скважины, для которого устанавливается объем извлечения руды с учетом высоты интервала и показателя «продуктивности скважины» для конкретной технологической скважины.
6. Изучение напряженно-деформи-
рованного состояния подрабатываемых массивов горных пород
Для условий КМА напряженно-
деформированное состояние подрабатываемого массива горных пород во многом определяется наличием мощных залежей известняков (~ 40250 м) в надрудной толще, инженерногеологические свойства которых положительно оцениваются с позиций обеспечения устойчивости всего подрабатываемого массива.
Техногенное состояние подрабатываемых горных массивов должно удовлетворять условию, чтобы при сформированной очистной выемке скважины (камеры), оседание массива горных пород затухало, не доходя до известняков, что повышает надежность сохранения их природного (фонового) состояния.
По результатам выполненного в ВИОГЕМ математического моделирования напряженно-
Рис. 2. Оседание кровли камеры при полной ее отработке
деформированного состояния рудного и налегающего подрабатываемого массивов в пределах полностью выработанных технологических скважин [1] установлено, что оседание кровли скважины составляет 0^4 мм (рис. 2).
Из установленной по результатам анализа натурных наблюдений [2] зависимости высоты влияния вырабатываемых пространств на изменение напряженно-деформированного состояния толщи горных пород от объема извлечения руды из скважины без закладки выработанных пространств вытекает, что при извлечении из единичной скважины руды в объеме до 100,0 тыс. т, оседание затухает в 10 метровой зоне налегающих пород, не доходя 20-25 м до границы карбоновых отложений (рис. 3).
Запасом корректности расчетом является то, что при отработке скважины (камеры) в ней остается до 80 % не извлеченной эрлифтом руды, что значительно уменьшает компенсационное пространство и его влияние на деформирование налегающих пород.
7. Мониторинг за эксплуатацией природных ресурсов геологической среды
При СГД недропользователи воздействуют на следующие природные ресурсы массивы горных пород, как основание для фундаментов и среда для строительства и эксплуатации горных выработок и формирование рельефа, полезные ископаемые, как минеральные ресурсы, подземные воды, как источник питьевого и промышленного водоснабжения и составной компонент геологической среды, поддерживающий экологическое равновесие в производстве биоты Земли, земельные ресурсы (почвенный покров), как непосредственный производитель биоресурсов [3]. Экологическая безопасность эксплуатации этих ресурсов обеспечивается достижением планируемого уровня их извлечения.
Для рационального использования (эксплуатации) подрабатываемых массивов горных пород необходимо учитывать его состояние во времени с учетом нарастания объемов извлечения руды из недр. Наблюдения за смещением налегающих массивов осуществляются с использованием радиоактивных «реперов». Управление процессом добычных работ для рационального использования подра-
40 0 --
Нижняя граница
30 0 -- отложений известняков 1 2
200 0 400 0 600 0
Объём добычи, тыс.т
батываемых массивов, таким образом, надежно обеспечивается режимом отработки камер и соблюдением прогнозных параметров их смещения по результатам геофизического контроля смещения зон, обладающих естественной радиоактивностью.
Эксплуатация минеральных ресурсов осуществляется с учетом лицензионных условий на основе требований Закона РФ о недрах и существующих нормативных документов. Соблюдение параметров, извлечения обеспечивает рациональное использование руд при их добыче.
Мероприятия по охране подземных водных ресурсов должны предусматривать сохранение их фонового режима, что достигается выполнением мероприятий по недопустимости перетекания воды в смежные водоносные горизонты и организацией мониторинга их состояния с использованием гидронаблюдательных скважин. Решение этой задачи осуществляется путем перекрытия водоносных горизонтов обсадными колонами технологических скважин и их тампонажем.
Охрана почвенного покрова основывается на мероприятиях, предусматривающих недопустимость оседание земной поверхности и обеспечивающих защиту плодородного слоя от пыления складов готовой продукции.
Реализация мониторинга за состоянием отмеченных выше природных ресурсов геологической среды является основой для практического осуществления управления их эксплуатацией и охраны (рационального использования), что также подтверждено опытнометодическими работами на КМА.
8. Рациональное недропользование как гарантия экологической безопасности
Рис. 3. Зависимость высоты влияния выработанного пространства на изменение напряженно-деформированного состояния подрабатываемых массивов от объема извлечения
Под недропользованием понимается система мер, направленных на реализацию экологически приемлемых действий недропользователей, зависимых от степени изменения ими состояния эксплуатируемых природных ресурсов. Рациональное недропользование, таким образом, достигается реализацией мероприятий, учитывающих с одной стороны, уровень экологической вредности, возникающей при экс-плу атации недропользователями природных ресурсов и, с другой стороны, уровень действий недропользователей для предупреждения возможных экологически неприемлемых изменений состояния ресурсов.
Реализация разрабатываемых вышеуказанных мероприятий осуществляется по результатам мониторинга за состоянием природных ресурсов методами геофизическими и гидрогеологическими в наблюдательных и технологических скважинах, маркшейдер-ско- геодезическими и спутниковых навигационных систем методами на специальных наблюдательных станциях [4], что в конечном итоге обеспечивает рациональность недро- и природопользования при СГД.
Сопоставимый анализ влияния различных способов разработки месторождений, на ресурсы геологической среды, включая опыт работы СГД показывает, что технология СГД оказывает значительно меньшее, по сравнению с традиционными технологиями, негативное воздействие на природные ресурсы.
Приведенные выше доводы о важности, возможности и технико-экономической целесообразности внедрения СГД на КМА, позволяют сделать следующие вывод:
1. Ускорение внедрения СГД богатых железных руд должно осуществляться при решении организационно-правовых проблем становления статуса нового способа подземной геотехнологии, особенно на уровне разрешительных органов.
2. Существующие методы мониторинга за технологией гидроизвлечения железных руд и состоянием эксплуатируемых природных ресурсов геологической среды обеспечивают осуществление прогноз их изменения во времени.
3. Рациональность недропользования при СГД достигается на основе управления эксплуа-
тацией природных ресурсов геологической сре- ды.
---------------------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Разработка технологии скважинной гидродобычи с выдачей исходных данных и технологических регламентов для создания предприятия. Отчет о НИР. Рук. работы Стрельцов В.И. № ГР 01.200.1 16736, Белгород,
2003. - 253 с.
2. Журин С.Н., Колесников В.И., Стрельцов В.И. Геоме-ханический литомониторинг обводненных массивов. - М:
НИА - Природа, 1997. - 188 с.
- Коротко об авторах ---------------------------------
Стрельцов В.И. - доктор технических наук, ФГУП ВИОГЕМ. Серышев С.Н. - аспирант, ФГУП ВИОГЕМ.
Колесников В.И. - кандидат технических наук, ОАО ЮНИОНРУДА.
------------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ к.т.н.
ГРУЗДЕВ Вадим Альбертович Обоснование технологических решений по рациональному управлению газовыделением в пределах выемочных участков угольных шахт 25.00.22 05.26.03 к.т.н.
ХАЙРУТДИНОВА Вера Николаевна Обоснование закладки выработанного пространства сульфидосодержащими отходами обогащения с использованием гель-технологии 25.00.22 к.т.н.
ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА СО РАН
ГУЖОВА Развитие методов измерения полных напряжений в 25.00.20 к.т.н.
Светлана массиве горных пород и в тюбинговых крепях с ис-
Вениаминовна пользованием фотоупругих датчиков
3. Гальперин АМ., Стрельцов В.И. Литомониторинг на железорудных карьерах КМА. - Ж. «Инженерная геология», 1987, № 3, с. 3-17.
4. Стрельцов В.И., Колесников В.И. Маркшейдерское обеспечение природопользования при скважинной гидродобыче железных руд. Сборник трудов 11 Международного конгресса Международного общества маркшейдеров. Краков, Польша, 2000, том 1, с. 15-22.
