CC BY
14
ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2019;(8):5-13
УДК 622.34:658[551.34]:622.831.3 DOI: 10.25018/0236-1493-2019-08-0-5-13
влияние интенсивности торцевого выпуска руды из блока на потери запасов при подземной отработке месторождений криолитозоны системами с подэтажным обрушением
В.П. Зубков1, Д.Н. Петров1
1 Федеральный исследовательский центр Якутский научный центр Сибирского отделения РАН Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского, Якутск, Россия, e-mail: petrovdn74@mail.ru
Аннотация: Возможность смерзания отбитой руды в очистном пространстве при использовании системы с подэтажным обрушением и торцевым выпуском руды при подземной разработке рудных месторождений криолитозоны является одним из основных факторов, оказывающих негативное влияние на все процессы добычи полезного ископаемого. Для качественной оценки влияния интенсивности торцевого выпуска на потери рудной массы от смерзания в блоке были проведены экспериментальные исследования, учитывающие термомеханические условия подземной разработки Нежданинского золоторудного месторождения. Они проводились методом физического моделирования на специально разработанном стенде в криокамере, оснащенной сплит-системой «Polaris», позволяющей воспроизвести температурные условия подземных рудников криолитозоны. Изменение интенсивности выпуска достигалось увеличением дозы выпуска руды из блока, так как рассматриваемый вариант системы разработки с подэтажным обрушением предполагает выпуск руды из одиночной выработки. Установлено, что интенсивность выпуска увлажненной руды при отрицательных температурах существенно влияет на показатели полноты извлечения запасов блока, в частности, ее увеличение в два раза позволяет снизить потери рудной массы от смерзания на 14%. Полученные результаты позволяют качественно оценить закономерности изменения показателей потерь руды вследствие ее смерзания в очистном пространстве в зависимости от интенсивности торцевого выпуска. Установленные зависимости будут использованы при разработке рекомендаций по выбору параметров технологии с подэтажным обрушением и торцевым выпуском руды в условиях подземной разработки месторождений криолитозоны.
Ключевые слова: подземная разработка, рудные месторождения, криолитозона, подэтаж-ное обрушение, выпуск руды, интенсивность, смерзание, потери.
Для цитирования: Зубков В. П., Петров Д. Н. Влияние интенсивности торцевого выпуска руды из блока на потери запасов при подземной отработке месторождений криолитозоны системами с подэтажным обрушением // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2019. - № 8. - С. 5-13. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-08-0-5-13.
Influence of intensity of ore drawing on losses in sublevel caving in permafrost zone
V.P. Zubkov1, D.N. Petrov1
1 Federal Research Centre The Yakut Scientific Centre, Chersky Mining Institute of the North, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, Yakutsk, Russia, e-mail: petrovdn74@mail.ru
© В.П. Зубков, Д.Н. Петров. 2019.
Abstract: Underground mining of ore deposits in the north-east of Russia currently features high costs, which affects profitability of ore production. Application of sublevel caving systems enables reduction in costs of ore haulage and ground control as well as considerable improvement of safety and productivity of mine personnel. At the same time, mining in permafrost zone requires taking into account possible adfreezing of broken ore in stopes, which complicates operation. The influence of adfreezing on ore losses was studied at various intensity of drawing and moisture content of ore during sublevel caving. Physical simulation of adfreezing-inclined ore drawing was executed on laboratory test bench, in a cryo-cell reproducing temperature conditions of underground mining in the Nezhdaninsky gold deposit. Ore drawing was carried out from single stope at the temperature of 5-7 °C below zero, which conformed with temperature conditions in stopes in permafrost zone. Intensity of ore drawing was varied by increasing quantity of discharge. The experimental drawing was continued until the limiting dilution of 50% per draw batch. The broken ore loss was determined as the difference between the discharged ore quantity and its mass in the test bench. The experimental studies find that under conditions of negative temperatures and varying moisture content of ore from 0 to 1.0%, the increase in the ore draw batch (intensity) by 2 times (from 150 to 300 t/shift) reduces the ore loss due to adfreezing by 14% (from 33 to 19%). Undoubtedly, the research findings are only valid for the specific test conditions. At the same time, they make it possible to estimate qualitatively the change in ore loss in adfreezing in stopes as function of ore drawing intensity in underground mining in permafrost zone. The resultant qualitative dependences of ore drawing intensity and ore loss in adfreezing in stopes will be used in recommendations on improvement of sublevel stoping efficiency in the conditions of permafrost zone. Key words: underground mining, ore deposits, permafrost zone, sublevel caving, ore drawing, intensity, adfreezing, losses.
For citation: Zubkov V. P., Petrov D. N. Influence of intensity of ore drawing on losses in sublevel caving in permafrost zone. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2019;(8):5-13. [In Russ]. DOI: 10.25018/02361493-2019-08-0-5-13.
Введение
Системы разработки с подэтажным обрушением и торцевым выпуском руды получили широкое распространение в мировой практике, благодаря несложной схеме подготовки, высокой производительности, практически полному отсутствию затрат на поддержание выработанного пространства, возможности оперативного изменения некоторых конструктивных параметров при изменении горно-геологических условий и качества полезного ископаемого [1— 7], что делает весьма перспективным применение систем данного класса для отработки рудных месторождений криолитозоны, находящихся в районах с недостаточно развитой транспортной и промышленной инфраструктурой [8, 9].
Анализ применения систем разработки, предусматривающих самотечную до-
ставку (выпуск) отбитой руды при разработке рудных месторождений криолитозоны показал, что при отрицательном температурном режиме подземных рудников отмечается возможность смерзания рудной массы в очистном пространстве.
Так, например, при опытно-промышленных испытаниях системы с подэтажным обрушением и торцевым выпуском руды на руднике Нежданинский был установлен факт смерзания отбитой руды при выпуске. Были определены возможные причины — низкая интенсивность выпуска и конструктивные параметры системы, не удовлетворяющие конкретным условиям разработки [10, 11]. Однако дальнейших исследований, позволяющих оценить динамику этого явления и его влияние на показатели извлечения при выпуске руды, не проводилось.
Методика проведения экспериментов
Для определения влияния интенсивности выпуска руды из блока на показатели извлечения запасов вследствие смерзаемости рудной массы при торцевом выпуске были проведены экспериментальные исследования в лабораторных условиях с учетом горно-геологических, горнотехнических и температурных условий подземной разработки перспективных рудных месторождений Республики Саха (Якутия).
Объектом моделирования являлся вариант системы с подэтажным обрушением с штрековой подготовкой и торцевым выпуском руды (рис. 1), примененный на руднике Нежданинский [11].
Интенсивность выпуска главным образом зависит от режима и величины дозы выпуска. Так как исследуемый вариант технологии предусматривает выпуск руды из одиночной выработки, изменение интенсивности выпуска достигалось путем увеличения дозы выпуска руды из блока.
Методика физического моделирования, позволяющая определить влияние дозы выпуска руды из блока на ее потери от смерзания, была разработана на основе известных положений теории подобия, методик моделирования с учетом результатов предыдущих исследований [12-15].
При моделировании были рассчитаны и приняты следующие масштабы подобия.
В-8
Рис. 1. Вариант системы разработки с подэтажным обрушением и торцевым выпуском руды, принятый в качестве объекта моделирования
Fig. 1. A variant of the sublevel caving and end ore drawing, accepted as object of modeling
Геометрический масштаб подобия CL определен по формуле:
CL = W = 50,
(1)
где 1н и 1м — соответственно линейные размеры в натурных условиях и в модели.
Моделирование производилось в поле силы тяжести. Исходя из того, что ускорение силы тяжести в натуре и на модели одинаково, использованы следующие расчетные масштабы моделирования [13].
Масштаб моделирования ускорений Са = 1. (2)
Из размерности а = ЦП2 следует, что
С = С/2,
а /С
где I — линейный размер; t — время; Са — масштаб моделирования ускорений; Сь — геометрический масштаб подобия; С( — масштаб моделирования времени.
Отсюда и из формулы (2) определяется масштаб моделирования времени С(:
С =у1о[ = 7 . (3)
Из выражения V = L/t следует, что масштаб моделирования скорости равен:
C = CV
(4)
Из формул (3) и (4) следует, что масштаб моделирования скорости Су составляет:
С =7^ . (5)
Выпуск руды осуществлялся дозами, величина которых определялась по фор-
муле:
Ом =
Он
, с, (6)
где 0м, 0н — доза выпуска соответственно на модели и в натуре, г.
Так как прочность смерзания материала не являлась измеряемой характеристикой, нарушение динамического подобия не учитывалось. Для соблюдения геометрического подобия движения из материала достаточно исключить пы-
леватые частицы диаметром менее 1 мм [13, 14].
Температура рудничного воздуха, отбитой руды и обрушенных налегающих пород в модели были приняты равными температурам в натурных условиях. Для максимального соответствия натурным условиям температура воды, использованной для увлажнения в модели, была принята равной +3,0 — +5 °С.
Описание материалов, приборов,
оборудования, выборка, условия
проведения экспериментов
В качестве материалов модели использовались мраморная крошка и железистый кварцит. Применение железистого кварцита в качестве пустых пород позволило применить магнитную сепарацию для определения предельного разу-боживания в дозе выпуска — 50%.
Необходимый гранулометрический состав материала модели отбирался на геологических ситах и составил для мраморной крошки, имитирующей дробленую руду от 1 до 5 мм; железистого кварцита в качестве пустых пород от 1 до 15 мм.
При проведении экспериментальных исследований по определению влияния дозы выпуска руды из блока на ее потери от смерзания был использован разработанный в Институте горного дела Севера им. Н.В. Черского стенд для физического моделирования торцевого выпуска руды. Принципиальная схема и размеры стенда приведены на рис. 2.
Все эксперименты по выпуску руды выполнялись в специальном помещении объемом 30,0 м3, оборудованном сплит-системой «Polaris», позволяющей воспроизводить условия отрицательных температур подземных выработок криоли-тозоны.
Для соблюдения температурных условий необходимое количество материала, имитирующего отбитую руду и обрушен-
ные породы, помещалось в отдельных контейнерах в криокамеру до набора температуры -5 °С.
По достижении требуемой температуры «рудный» материал увлажнялся требуемым объемом пресной воды (от 0,5 до 1% от веса руды), и производилось размещение его в стенде с одновременной подсыпкой железистого кварцита, имитирующего обрушенные вмещающие породы. Разделение рудного и породного материала обеспечивалось заслонкой, извлекаемой из стенда по мере его заполнения.
Время нахождения отбитой руды в стенде при температуре минус 5 °С рассчитывалось по формуле (3) с учетом времени, затрачиваемого на проветривание и осмотр очистного забоя после массового взрыва на рудниках, и составило 10 мин.
Выпуск руды из стенда осуществлялся из выпускной выработки с помощью металлической лопатки в расчетном объеме. Доза выпуска взвешивалась и высыпалась в контрольную пластиковую емкость № 1. Отделение примешанной пустой породы производилось способом магнитной сепарации, при этом оставшаяся часть породы взвешивалась.
Предельное разубоживание в дозе, при достижении которого выпуск прекращали, было принято равным 50%. Затем производилось контрольное взвешивание выпущенного материала и определение количества потерь от смерзания.
Далее результаты каждого отдельного эксперимента обрабатывались, производилось их обобщение по сериям и составлялась сводная таблица с результатами.
Результаты
Было выполнено три серии экспериментов с различной влажностью (0—1%) и с дозами выпуска 50 г, 75 г и 100 г, соответствующими интенсивности 150 т/сме-
Рис. 2. Схема стенда для физического моделирования торцевого выпуска руды из блока: А — отбитая руда, В — обрушенные вмещающие породы
Fig. 2. The scheme of the stand for physical modeling for end ore drawing: A — broken ore, B — caving enclosing rock
ну, 225 т/смену и 300 т/смену в натурных условиях (рис. 3 и 4).
По результатам экспериментов были построены графики зависимости потерь рудной массы от смерзания при выпуске в очистном пространстве, приведенные на рис. 5.
В результате проведенных исследований установлено, что увеличение дозы (интенсивности) выпуска руды с 150 т/смену до 300 т/смену при изменении влажности отбитой руды от 0 до 1,0% приводит к снижению потерь выпускаемой руды вследствие смерзания на 14%.
Обсуждение результатов
Как показали результаты исследований, повышение интенсивности выпуска
Рис. 3. Окончание эксперимента при дозе выпуска 50 г Fig. 3. The end of the experiment at a draw dose of 50 g
оказывает значительное влияние на показатели полноты извлечения запасов в условиях отрицательных температур. Данную закономерность можно объяснить сокращением времени нахождения рудной массы в неподвижном состоянии и увеличением объемов отбитой руды, находящейся в движении непосредственно в момент выпуска, что приводит к разрушению спаек льда. Эти факторы препятствуют смерзанию руды в очистном пространстве и положительно сказываются на ее сыпучих свойствах, и в целом способствуют снижению потерь рудной массы в блоке.
Ограничения исследования и обобщение его результатов; предложения по практическому применению
Несомненно, полученные данные справедливы только для условий конкретного эксперимента, однако они позволяют качественно оценить закономерности изменения показателей потерь руды вследствие ее смерзания в очистном пространстве в зависимости от интенсивности ее выпуска при отрицательных температурах в очистном пространстве.
Установленная зависимость может быть использована при разработке реко-
Рис. 4. Окончание эксперимента при дозе выпуска 100 г Fig. 4. The end of the experiment at a draw dose of 100 g
Рис. 5. Влияние дозы выпуска и увлажнения на потери вследствие смерзания отбитой руды Fig. 5. The effect of release and draw dose on losses due to the freezing of broken ore
мендаций по выбору параметров технологии с подэтажным обрушением и торцевым выпуском в условиях подземной разработки месторождений криолитозоны, например, для обоснования применения самоходного погрузочно-доставочного оборудования большей производительности.
Предложения по направлению
будущих исследований
Для разработки эффективных рекомендаций по снижению потерь от смерзания руды в очистном пространстве будут продолжены исследования, позволяющие оценить динамику этого явления и его влияние на процессы подземной разработки рудных месторождений криолитозоны. Дальнейшие исследования будут направлены на изучение зависимости показателей извлечения склонной к смерзанию руды от конструктивных параметров систем разработки.
Заключение
Таким образом, экспериментальными исследованиями установлено, что при
системах с подэтажным обрушением и торцевым выпуском руды в условиях отрицательных температур в очистном пространстве (-5 + -7°С) потери руды вследствие возможного смерзания при изменении влажности рудной массы от 0 до 1,0%, и увеличении дозы (интенсивности) выпуска руды в 2 раза (с 150 до 300 т/смену) снижаются на 14% (с 33 до 19%).
Полученные результаты позволяют определить направление повышения эффективности применения систем с подэтажным обрушением и торцевым выпуском руды для разработки месторождений криолитозоны.
Учет результатов исследований при выборе и обосновании интенсивности выпуска отбитой руды из блока, позволит не только минимизировать потери руды вследствие ее смерзания в очистном пространстве блока, но и избежать возникновения аварийных ситуаций.
Авторы статьи выражают признательность коллегам, принимавшим участие в проведении исследований.
список литературы
1. Shekhar G., Gustafson A., Schunnesson H. Draw control strategy and resource efficiency in sublevel caving. State-of-the-art. Research report. Lulea University of Tecnology, Lulea 2017, 96 p.
2. Голик В. И., Белодедов А. А., Логачев А. В., Шурыгин Д. Н. Совершенствование параметров выпуска руд при подэтажном обрушении с торцовым выпуском // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. — 2018. — № 1. — С. 150—159.
3. Nordqvist A., Wimmer X. Holistic approach to study gravity flow at the Kiruna sublevel caving mine / In Seventh International Conference and Exhibition on Mass Mining (Mass Min 2016). Sydney: The Australian Institute of Mining and Metallurgy. Pp. 401—414.
4. Rana Gruber. Sublevel caving. URL: http://www.ranagruber.no/index.php?id=40 (дата обращения 03.04.2019).
5. Matthews T. Dilution and ore loss projections: Strategies and considerations // SME Annual Conference and Expo and CMA 117th National Western Mining Conference — Mining: Navigating the Global Waters. Denver, United States. 15— 18 February 2015. Pp. 529—532.
6. Эвертовский В. М. Системы подземной отработки с массовым обрушением руды АО «Иргиредмет» // Золотодобыча. — 2014. — № 193, Декабрь. URL: http://zolotodb.ru/ news/11164 (дата обращения: 17.06.2017).
7. Skawina B., Greberg J., Salama A., Gustafson A. The effects of orepass loss on loading, hauling, and dumping operations and production rates in a sublevel caving mine // Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. April 2018, Vol. 118, pp 409—418.
8. Тапсиев А. П., Усков В. А. Развитие систем разработки для условий таликовой зоны Не-жданинского месторождения // Интерэкспо Гео-Сибирь. — 2014. — № 4. — Т. 2. URL: http:// cyberleninka.ru/article/n/razvitie-sistem-razrabotki-dlya-usloviy-talikovoy-zony-nezhdaninskogo-mestorozhdeniya#ixzz43bh7luxr (дата обращения 30.03.2019).
9. Петров Д Н., Необутов Г. П. Опыт и перспективы применения систем с подэтажным обрушением при разработке рудных месторождений Якутии // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2017. — СВ 24. — С. 211—219.
10. Бахмутов В. М. Технологический регламент для разработки технического проекта Нежданинского ГОКа в Якутской АССР по технологии подземных горных работ. — Чита: ЧФ ВНИПИГорцветмет, 1986. — 76 с.
11. Бечаев М.Д., Артемонов С. В. и др. Разработка эффективной технологии отработки рудных тел Нежданинского месторождения: отчет о НИР. — Чита: Гипроцветмет, 1989. — 120 с.
12. Шеховцов В. С. Основы научных исследований в горном деле: учебное пособие. Изд. 2-е, перераб. и доп. — Новокузнецк: СибГИУ, 2006. — 136 с.
13. Именитов В. Р., Ковалев И.А., Уралов В. С. Моделирование обрушения и выпуска руды. — М.: МГИ, 1961. — 151 с.
14. Савич И. Н., Мустафин В. И. Перспективы применения и обоснование проектных решений при этажном и подэтажном торцевом выпуске руды // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2015. — СВ 1. — С. 419—429.
15. Башков В. И., Копытов А. И. Расчет параметров и конструктивное оформление варианта системы разработки подэтажного обрушения с торцовым выпуском руды // Вестник Кузбасского государственного технического университета. — 2015. — № 2. — С. 75—77. it7^
REFERENCES
1. Shekhar G., Gustafson A., Schunnesson H. Draw control strategy and resource efficiency in sublevel caving. State-of-the-art. Research report. Lulea University of Tecnology, Lulea 2017, 96 p.
2. Golik V. I., Belodedov A. A., Logachev A. V., Shurygin D. N. Improvement of parameters of production of ores at the subfloor collapse with face release. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle. 2018, no 1, pp. 150—159. [In Russ].
3. Nordqvist A., Wimmer X. Holistic approach to study gravity flow at the Kiruna sublevel caving mine. In Seventh International Conference and Exhibition on Mass Mining (Mass Min 2016). Sydney: The Australian Institute of Mining and Metallurgy. Pp. 401—414.
4. Rana Gruber. Sublevel caving. URL: http://www.ranagruber.no/index.php?id=40 (accessed 03.04.2019).
5. Matthews T. Dilution and ore loss projections: Strategies and considerations. SME Annual Conference and Expo and CMA 117th National Western Mining Conference — Mining: Navigating the Global Waters. Denver, United States. 15- 18 February 2015. Pp. 529-532.
6. Evertovskiy V. M. Underground mining method with ore bulk caving. Zolotodobycha. 2014, no 193, December. URL: http://zolotodb.ru/news/11164 (accessed: 17.06.2017). [In Russ].
7. Skawina B., Greberg J., Salama A., Gustafson A. The effects of orepass loss on loading, hauling, and dumping operations and production rates in a sublevel caving mine. Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. April 2018, Vol. 118, pp 409-418.
8. Tapsiev A. P., Uskov V. A. Development of mining method for the thawed zone of the Nezhda-ninskoye deposit. Interekspo Geo-Sibir'. 2014, no 4. Vol. 2. URL: http://cyberleninka.ru/article/n/ razvitie-sistem-razrabotki-dlya-usloviy-talikovoy-zony-nezhdaninskogo-mestorozhdeniya#ixzz43b-h7luxr (accessed: 30.03.2019). [In Russ].
9. Petrov D. N., Neobutov G. P. Experience and prospects of sublevel caving mining of ore deposits in Yakutia. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. Special edition 24, pp. 211-219. [In Russ].
10. Bakhmutov V. M. Tekhnologicheskiy reglament dlya razrabotki tekhnicheskogo proekta Nezhdaninskogo GOKa v Yakutskoy ASSR po tekhnologii podzemnykh gornykh rabot [Technological regulations for the development of a technical project for Nezhdaninskiy GOK in the Yakut ASSR on the technology of underground mining], Chita, CHF VNIPIGortsvetmet, 1986, 76 p.
11. Bechaev M. D., Artemonov S. V. Razrabotka effektivnoy tekhnologii otrabotki rudnykh tel Nezhdaninskogo mestorozhdeniya: otchet o NIR [Development of an effective technology for mining ore bodies at the Nezhdaninskoe deposit: Research report], Chita, Giprotsvetmet, 1989, 120 p.
12. Shekhovtsov V. S. Osnovy nauchnykh issledovaniy v gornom dele: uchebnoe posobie. Izd. 2-e [Fundamentals of scientific research in mining: Educational aid, 2nd edition], Novokuznetsk, SibGIU, 2006, 136 p.
13. Imenitov V. R., Kovalev I. A., Uralov V. S. Modelirovanie obrusheniya i vypuska rudy [Simulation of the caving and ore drawing], Moscow, MGI, 1961, 151 p.
14. Savich I. N., Mustafin V. I. Prospects of application and substantiation of design solutions for level and sublevel discharge. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015. Special edition 1, pp. 419-429. [In Russ].
15. Bashkov V. I., Kopytov A. I. Calculation of parameters and constructive design options of developing sublevel caving with mechanical release of ore. Vestnik Kuzbasskogo gosudarstven-nogo tekhnicheskogo universiteta. 2015, no 2, pp. 75—77. [In Russ].
информация об авторах
Зубков Владимир Петрович1 — канд. техн. наук, старший научный сотрудник, зам. директора по научной работе, e-mail: zubkov@ igds.ysn.ru, Петров Дмитрий Николаевич1 — канд. техн. наук, зав. лабораторией, e-mail: petrovdn74@mail.ru,
1 Федеральный исследовательский центр Якутский научный центр Сибирского отделения РАН, Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского. Для контактов: Петров Д.Н., e-mail: petrovdn74@mail.ru.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
V.P. Zubkov1, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher,
Deputy Director for Science, e-mail: zubkov @ igds.ysn.ru,
D.N. Petrov1, Cand. Sci. (Eng.), Head of Laboratory, e-mail: petrovdn74@mail.ru,
1 Federal Research Centre The Yakut Scientific Centre,
Chersky Mining Institute of the North, Siberian Branch,
Russian Academy of Sciences,
677980, Yakutsk, Republic of Sakha (Yakutia), Russia. Corresponding author: D.N. Petrov, e-mail: petrovdn74@mail.ru.
