Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния проблемы подземной геотех нологии жильных золоторудных месторождений, цель работы и задачи исследований 17
1.1 Обобщение мирового и отечественного опыта подземной разработки жильных золоторудных месторождений и их особенности в районах Сибири и Северо-Востока России 17
1.2 Обзор исследований в области подземной геотехнологии золоторудных месторождений жильного типа и проблемы управления геомеханическими процессами на подземных рудниках 28
1.3 Анализ изученности поведения горного массива в криолитозо не при подземной разработке жильных месторождений 39
1.4 Состояние геоинформационного обеспечения подземных геотехнологий золоторудных жильных месторождений 43
1.5 Цель и задачи исследований 46
2 Технологическое оконтуривание промышленных руд и определение показателей потерь и разубо живания на основе изучения и использования свойств прерывистости (фрактальности) для концентраций золота 48
2.1 Закономерности распределения золота их влияние на достоверность определения содержания металла добываемой руде 48
2.2 Обоснование технологии оконтуривания промышленных руд на основе использования свойства фрактальности распределения золота в геологической среде 61
Выводы
3 Исследование устойчивости массива горных пород и показателей качества извлечения металла из недр в условиях влияния криолитозоны 81
3.1 Районирование массива горных пород в зависимости от влияния знакопеременного температурного режима на шахтное поле в криолитозоне 81
3.2 Влияние криолитозоны на геомеханическое состояние массива горных пород 95
3.3 Влияние криолитозоны на эффективность извлечения металла из недр 101
Выводы 115
4 Разработка системы комплексной оценки геомеханического состояния массивов горных пород 117
4.1 Геологические характеристики месторождений 117
4.2 Физико-механические свойства горных пород и руд 120
4.3 Природные напряжения массивов горных пород
4.3.1 Качественная оценка природных напряжений 125
4.3.2 Количественная характеристика природных напряжений 136
4.4 Обоснование системы комплексной оценки устойчивости горных пород и руд жильных месторождений 149
4.4.1 Комплексная оценка устойчивости горных пород и руд крутопадающих жильных месторождений 149
4.4.2 Комплексная оценка устойчивости горных пород и руд наклонных жильных месторождений 158
Выводы 171
5 Обоснование параметров подземной геотехнологии крутопадающих золоторудных месторождений в сложных условиях геологической среды 173
5.1 Применяемые геотехнологии отработки крутопадающих золоторудных жильных тел в сложных условиях геологической среды 173
5.2 Подход к изучению сложной геологической среды, как основы для инженерных расчетов и моделирования оценки напряжённо-деформированного состояния (НДС) массива 176
5.3 Методики исследования по обоснованию конструктивных параметров геотехнологии в сложной геологической среде
5.3.1 Методика расчета напряжений в целиках и обнажениях камер очистного пространства 178
5.3.2 Методика математического моделирования 181
5.4 Обоснование параметров и совершенствование геотехнологии отработки крутопадающих золоторудных жильных тел в сложных условиях геологической среды 183
Выводы 202
6 Обоснование параметров подземной геотехнологии наклонных жильных золоторудных месторождений в сложных условиях геологической среды 204
6.1 Направления совершенствования существующей геотехнологии отработки наклонных золоторудных тел 204
6.2 Методики исследования по обоснованию конструктивных параметров наклонных и пологих рудных тел в сложной геологической среде
6.2.1 Методика расчета напряжений в целиках и обнажениях кровли блока 209
6.2.2 Методика математического моделирования 212
6.3 Методика обоснования конструктивных параметров систем разработки наклонных золоторудных тел 217
6.4 Совершенствование геотехнологии наклонных жильных золоторудных тел 238
Выводы 253
7 Опытно-промышленные испытания и внедрение результатов исследований
7.1 Опытно-промышленные испытания методики технологического оконтуривания на руднике «Холбинский» 255
7.2 Опытно-промышленные испытания отработки крутопадающих жил технологией создания гибкой системы расположения поясов крепления - буровых штреков в технологическом контуре запасов на руднике «Холбинский» 256
7.3 Внедрение геотехнологии отработки наклонных золотосодер жащих жил в технологически выделенных контурах с разделением на зоны (рабочая, зачистки, локализации) с последующим погашением пустот регулируемым самообрушением 260
7.4 Внедрение в производство гибкой системы расположения буровых штреков при отработке тонких жил Коневинского месторождения 263
Заключение 264
Список литературы 268
- Обзор исследований в области подземной геотехнологии золоторудных месторождений жильного типа и проблемы управления геомеханическими процессами на подземных рудниках
- Обоснование технологии оконтуривания промышленных руд на основе использования свойства фрактальности распределения золота в геологической среде
- Влияние криолитозоны на эффективность извлечения металла из недр
- Обоснование системы комплексной оценки устойчивости горных пород и руд жильных месторождений
Введение к работе
Актуальность работы. Россия по запасам золота занимает третье место в мире. До 75% этих запасов находятся в месторождениях Сибири и Северо-Востока. Объем рудного золота в общей добыче составляет 70%, примерно 38% золотосодержащей руды добываются из жильных месторождений подземным способом.
Золоторудные тела жильных месторождений имеют ряд особенностей. Они характеризуются сложным геологическим строением, наличием развитой тектонической нарушенности горных пород, различным состоянием устойчивости. Балансовые запасы в недрах расположены крайне неравномерно с дискретным распределением металла. Две трети золоторудных месторождений Сибири и Северо-Востока России залегают в условиях многолетней мерзлоты. Знакопеременный температурный режим шахтного поля влияет на физико-механические свойства руд и пород, на их устойчивость при обнажении и, как следствие, разработка запасов ведется с повышенными потерями руды. При разработке золоторудных месторождений, особенно на больших глубинах, отмечаются опасные проявления горного давления, что значительно снижает безопасность и эффективность проведения горных работ.
Промышленное освоение жильных рудных тел в сложных условиях геологической среды производится трудоемкими и высокозатратными системами разработки, допускающими потери металла до 20% и повышенное разубожива-ние, при этом имеет место выборочная отработка балансовых запасов месторождений с оставлением руд с невысоким содержанием металла, что в целом приводит к снижению рентабельности разработки золоторудных месторождений.
Геологическое строение золоторудных месторождений характеризуется свойством фрактальности (системной дискретности). Существующие методы определения параметров геотехнологии не в полной мере учитывают прерывистость элементов геологической среды и, как правило, базируются на традиционной классической основе, построенной на непрерывных моделях рудоносно-сти и напряженности горных массивов. При определении параметров целиков и обнажений камер недостаточно учитывается фактические природные и техногенные напряжения горных пород и руд, фактор времени. Без научно-обоснованного учета фрактальной изменчивости геологической среды и устойчивости конструктивных элементов систем разработки во времени в условиях знакопеременного температурного состояния горного массива невозможно выявить реальные условия подземной разработки золотосодержащих жил.
Жильные месторождения золота находятся в удаленных районах России с суровыми климатическими условиями и неразвитой инфраструктурой, что повышает затраты на их освоение и требует применения эффективной геотехнологии.
В связи с этим проблема повышения эффективности и безопасности разработки жильных золоторудных месторождений - является весьма актуальной.
Цель работы - обоснование параметров эффективной подземной геотехнологии жильных золоторудных месторождений на основе учета фрактальных свойств распределения золота и геомеханического состояния геологической среды в условиях криолитозоны, обеспечивающих эффективность и безопасность добычи руды из недр.
Идея работы состоит в использовании свойств фрактальности геологической среды, закономерностей природных и техногенных напряжений в целиках и обнажениях очистного пространства во времени и наличия криолитозоны, как ключевых факторов для обоснования параметров подземной геотехнологии.
Объект исследований - технология отработки сложно-структурных жильных золоторудных месторождений Сибири и Северо-Востока России.
Предмет исследований - закономерности строения геологической среды золоторудных месторождений, природные и техногенные напряжения горных пород и руд, параметры подземных геотехнологий.
Задачи исследований:
-
Анализ проблем подземной разработки жильных золоторудных месторождений.
-
Изучение и использование фрактальных свойств геологической среды, как факторов, влияющих на обоснование параметров подземных геотехнологий.
-
Исследование состояния массива горных пород и отбитой руды в условиях криолитозоны и определение влияния температурного режима на устойчивость пород и руд, полноту выемки балансовых запасов руды.
-
Разработка системы комплексной оценки устойчивого состояния горных пород и руд в очистном пространстве с учетом выявленных свойств геологической среды.
-
Обоснование параметров эффективной подземной геотехнологии жильных золоторудных месторождений в условиях выявленных закономерностей строения геологической среды с учётом величин природных и техногенных напряжений горных пород и руд, фактора времени и температуры массива.
6.Опытно-промышленные испытания и внедрение результатов исследований.
Методы исследований: анализ теории и опыта подземной геотехнологии золоторудных месторождений; лабораторные испытания образцов пород; натурные наблюдения и измерения; натурные эксперименты; графоаналитический анализ элементов сложной геологической среды; теоретические исследования напряженно-деформированного состояния массива с использованием математического моделирования; опытно-промышленная проверка разработанных технологий.
Диссертационные исследования выполнялись:
по плану госбюджетных научно-исследовательских работ ИрГТУ на 2002-2012 гг. (поз. 47/314 «Развитие научных основ, изыскание эффективных технологий разработки месторождений полезных ископаемых).
в соответствии с планами научно-исследовательских работ ИрГТУ и ОАО «Бурятзолото» на 2002-2010 гг.
в соответствии с государственным заданием № 5.1849. 2011 по договору ИрГТУ с Минобрнауки РФ: «Фрактальные кластеры в геологической среде месторождений полезных ископаемых, их вероятная физическая природа и возможности практического использования» 2011-2012 гг.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Технологическое оконтуривание промышленных руд в условиях фрактального распределения металла в жильных золоторудных телах характеризуется последовательным объединением дискретных участков с аномальными его концентрациями, входящими друг в друга. Оценка качества руды в контуре производится методом взвешивания средних содержаний по сортовым классам на зоны их влияния, а не по конкретным содержаниям металла в пробах, что повышает достоверность подсчета запасов в эксплуатационном блоке.
-
Знакопеременный температурный режим шахтного поля в массиве мно-голетнемерзлых пород в зависимости от сезона года и глубины разработки оказывает влияние на устойчивость их обнажений и образование потерь руды при очистной выемке. Учет первого фактора осуществляется посредством использования дифференцированной поправки в расчетах коэффициента структурного ослабления массива, устанавливаемой на основе мониторинга величин природных напряжений и фактического поведения массива, а снижение уровня потерь руды достигается применением специальной технологии.
3. Оценка геомеханического состояния горного массива сложно-
структурных жильных месторождений в рамках многоуровневой (иерархиче
ской) системы, определяющей фрактальные закономерности формирования
тектонических структур, производится путем установления пространственного
положения средне и высоконапряженных участков. Количественную оценку
величин природных напряжений следует осуществлять на основе натурных из
мерений напряжений и решений обратных геомеханических задач по данным
фактических проявлений горного давления с учетом морфологии, физико-
механических свойств и температурного состояния пород.
4. При обосновании параметров подземной геотехнологии крутопадающих
жил в условиях сложной геологической среды необходимо учитывать время ус
тойчивого стояния бортов очистной выемки на период отбойки и выпуска ру
ды. Это достигается кратковременным переводом вмещающих пород из неус
тойчивого состояния в устойчивое путем подбора сечений очистного простран
ства в пределах технологического контура и конструктивных параметров гиб
кой системы расположения буровых штреков - поясов крепления, что позволит
обеспечить высокую производительность добычи руды с меньшим уровнем за
трат, при повышении безопасности работ.
5. Отработку наклонных золотосодержащих жил целесообразно проводить в технологически выделенных контурах запасов с разделением на зоны работ (рабочая, зачистки, локализации) с последующим погашением пустот регулируемым самообрушением. При обосновании параметров геотехнологии следует учитывать свойства фрактальности геологической среды, время выемки запасов и знакопеременное температурное состояние массива горных пород, что позволит повысить безопасность условий труда и эффективность очистных работ.
Достоверность научных положений обуславливается: представительным объемом изученной и обработанной рабочей геологической информации по жильным золоторудным месторождениям Сибири и Северо-Востока России; соответствием физических и математических моделей реальному состоянию массива горных пород; сходимостью результатов лабораторных, аналитических и натурных исследований; положительными результатами внедрения технических решений в геотехнологии на основе нового подхода к обоснованию параметров.
Научная новизна диссертации:
-
Предложен новый подход к оценке состояния геологической среды для геолого-информационного обеспечения геотехнологий, основанный на использовании свойств ее фрактальности с учетом криолитозоны и принципов построения подземной геотехнологии разработки золоторудных жильных месторождений в сложных условиях.
-
Выявлены закономерности дискретного распределения металла в золоторудных телах и на их основе научно обоснована методика технологического оконтуривания рудных тел на стадии эксплуатации, повышающая достоверность и эффективность подсчета запасов в блоке.
-
Для ряда золоторудных месторождений Восточной Сибири выявлены закономерности изменения температурного состояния многолетнемерзлого массива горных пород шахтного поля в зависимости от сезона года и глубины разработки, установлено их влияние на геомеханические свойства руд и вмещающих пород, а также качественно-количественные показатели добычи руды.
-
Научно обоснована и разработана оценка устойчивости обнажений массива горных пород, учитывающая знакопеременное температурное состояние пород шахтного поля, их прочностные свойства, трещиноватость и тектонику, районирование горного массива на высоконапряжённые и средненапряженные зоны, строение кровли. На ее основе, с учетом выявленных свойств: фрактальности распределения золота в пространстве и участков повышенной трещиновато-сти, времени стояния обнажений вмещающих пород определены параметры подземной геотехнологии для крутопадающих и наклонных золоторудных жил.
-
На базе установленных закономерностей разрушения приконтурной части массива, с учетом локальной тектоники, напряженного состояния пород и времени устойчивого стояния кровли и бортов очистной камеры, необходимого для выемки балансовых запасов эксплуатационного блока, обоснован способ
поддержания очистного пространства при разработке крутопадающих и наклонных жил.
-
Установлена зависимость времени устойчивого стояния очистной камеры от количества поясов крепления и глубины закрепляемого слоя пород при различных сечениях очистного забоя. На ее основе предложена для отработки крутопадающих жил технология, учитывающая конструкцию гибкой системы расположения буровых штреков - поясов крепления и методику подбора сечения очистной выработки, что позволяет на время отработки запасов создать благоприятные условия для применения высокопроизводительной системы разработки в сложных условиях геологической среды.
-
Научно обоснована технология отработки наклонных золотосодержащих жил в сложных горно-геологических условиях с разделением на зоны работ (рабочая, зачистки, локализации) с последующим погашением пустот регулируемым самообрушением, позволяющая применить современное оборудование и крепление и достичь более высокого уровня эффективности и безопасности очистных работ.
Личный вклад автора состоит в: постановке проблемы и обосновании направлений ее решения; формулировке рабочих гипотез; постановке и проведении научных исследований; разработке методик лабораторных и производственных экспериментов; совершенствовании методов расчета разработки геотехнологий и определении их параметров; испытании и внедрении результатов исследований в промышленном масштабе; обработке полученных результатов и их обобщении.
Практическая значимость результатов исследований.
-
Проведен региональный и локальный прогноз средне и высоконапряженных зон для условий Зун-Холбинского месторождения, позволяющий в соответствии с усовершенствованной методикой районировать горный массив по степени устойчивости и, на основе чего, выбирать безопасные и эффективные технические решения подземной геотехнологии.
-
Разработана и в опытном порядке внедрена методика технологического оконтуривания промышленных рудных тел и оценки показателей потерь и ра-зубоживания в условиях дискретного распределения металла в недрах, позволяющая повысить качество извлечения полезного ископаемого из недр на золоторудных месторождениях.
-
Разработаны и внедрены классификации устойчивости горных пород и руд, учитывающие горно-геологические особенности крутопадающих, наклонных и пологих золоторудных жил в криолитозоне для ряда месторождений Сибири и Северо-Востока России.
-
Установлены рациональные области применения крепления очистного пространства гидравлическими взрывозащищенными стойками и различными видами анкерного и канатно-анкерного крепления с минеральным и полимер-
ным наполнителями при подземной разработке жильных золоторудных месторождений.
-
Разработана методика расчёта параметров канатно-анкерного крепления бортов очистных камер крутопадающих жил с учётом их напряжённо-деформированного состояния и времени стояния, необходимого для отбойки и выпуска руды.
-
Разработан и внедрен комплексный метод управления геомеханическими процессами в криолитозоне при отработке наклонных жил с учётом последовательности выемки камерных запасов, целиков и погашения выработанного пространства.
-
Определены параметры отработки наклонных жил и создана геотехнология с разделением на зоны выемки запасов и целиков с погашением пустот регулируемым самообрушением, обеспечивающие безопасность работ и сокращение потерь в недрах.
-
Для крутопадающих жил определены параметры системы разработки с подэтажной отбойкой скважинами малого диаметра и канатно-анкерным креплением бортов с буровых подэтажных штреков - поясов крепления.
Реализация работы. Разработан и согласован на уровне Ростехнадзора РФ комплект методических и нормативных документов по управлению геомеханическими процессами и определению параметров конструктивных элементов геотехнологий для золотодобывающих предприятий Сибири и Северо-Востока России.
-
Методика прогноза геомеханического состояния и выявления высоконапряженных зон горного массива на основе оценки его геологической структуры и трещиноватости для условий Зун-Холбинского месторождения (2003 г.).
-
Временные указания по погашению выработанного пространства методом локализации бутовыми полосами при выемке целиков на жилах Ирокин-динского рудного поля (2005 г.).
-
Временная методика расчета параметров крепления кровли гидравлическими стойками ELBROC OMNI 80 при выемке целиков на руднике «Ирокин-да» (2005 г.).
-
Временная техническая инструкция по созданию изолирующих бутовых полос при погашении выработанного пространства способом локализации на жилах Ирокиндинского рудного поля (2006 г.).
-
Методика технологического оконтуривания промышленных руд в условиях прерывистого оруденения при подземной разработке Зун-Холбинского месторождения (2008 г.).
-
Временные методические указания по креплению и поддержанию капитальных, подготовительных и нарезных выработок на «Ново-Широкинском» руднике (2008 г.).
-
Регламент по креплению и поддержанию капитальных, подготовительных, очистных и разведочных выработок на «Холбинском» руднике ОАО «Бу-рятзолото» (2009 г.).
-
Указания по определению конструктивных параметров систем разработки на руднике «Холбинский» ОАО «Бурятзолото» (2010 г.).
-
Указания по определению конструктивных параметров систем разработки на руднике «Ирокинда» ОАО «Бурятзолото» (2010 г.).
-
Указания по организации комплексного мониторинга геомеханического состояния горного массива Зун-Холбинского и Ирокиндинского месторождений (2010 г.).
-
Указания по расчету параметров крепления очистных и проходческих выработок канатными анкерами на рудниках «Холбинский», «Ирокинда» ОАО «Бурятзолото» (2010 г.).
-
Технологический регламент по креплению и поддержанию капитальных, подготовительных, нарезных и разведочных выработок на Майском месторождении (2010 г.).
-
Временные указания по определению параметров устойчивых целиков и обнажений горных выработок и очистных камер на месторождении Коневин-ское(2011 г.).
Основные рекомендации исследований использованы при проектировании систем разработки на рудниках «Ирокинда», «Холбинский», «Ново-Широкинский», ЗК «Майское», ГОК «Коневинское» и др. Все решения и технические разработки прошли промышленные испытания на золоторудных месторождениях с положительным экономическим эффектом. Результаты исследований используются в учебном процессе по горно-геологическим специальностям ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет».
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на технических совещаниях: кафедры РМПИ ИрГТУ, кафедры ПРМПИ Забайкальского ГУ, ОАО «Бурятзолото», ООО «ЗК Майское», рудников «Холбинский», «Ирокинда», ГОК «Коневинское» (г. Иркутск, г. Чита, г. Улан-Удэ, п. Певек, п. Ирокинда, п. Самарта, п. Орлик, 2003-2012 гг.), золотодобывающей компании «High River Gold» (г. Торонто, Канада, 2008 г.); в Бурятском Управлении Ростехнадзора РФ, на НТС Бурятнедра РФ (Улан-Удэ, 2004 г), ежегодной научной конференции «Игошинские чтения» ИрГТУ (г. Иркутск, 2003-2011 гг.); региональной научно-практической конференции «Горному надзору России - 285 лет» (г. Улан-Удэ, 2004 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр земли» с участием иностранных ученых, ИГД СО РАН (г. Новосибирск, 2007 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Инновационное развитие горно-металлургической отрасли» ИрГТУ (г. Иркутск, 2009 г.); научной конференции «Геомеханика в горном деле», ИГД УрО РАН (г. Екатеринбург, 2009 г.); Международном науч-
ном симпозиуме «Неделя горняка», МГГУ (г. Москва, 2008-2011 гг.), Международный форум по стратегическим технологиям «IFOST-2013» (Улан-Батор, МНР, 2013 г).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 31 работа, в том числе 19 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК России, и монографии.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 214 наименований и 10 приложений. Работа представлена на 341 страницах машинописного текста, содержит 122 рисунка, 42 таблицы.
Автор искренне благодарит: доктора технических наук Сосновского Л.И., доктора геолого-минералогических наук, профессора Филонюка В.А. за консультации в процессе выполнения работы; преподавателей кафедры РМПИ Ир-ГТУ, работников ОАО «Бурятзолото», Ирокиндинского и Холбинского рудников, ГОК «Коневинское», содействовавших проведению лабораторных и промышленных экспериментов.
Обзор исследований в области подземной геотехнологии золоторудных месторождений жильного типа и проблемы управления геомеханическими процессами на подземных рудниках
Предложен вариант системы разработки с выемкой наклонных полос руды (15-55) с направленным отбросом рудной массы к скреперным или конвейерным дорожкам. При этой системе также имеет место большой объем горноподготовительных работ. Поддержание выработок производится деревянными стойками. Большой объем скреперной или конвейерной доставки.
При использовании последних двух вариантов не оставляются внутрибло-ковые и барьерные целики, что значительно снижает потери. Однако происходит накопление подземных пустот, которые могут стать опасными по проявлениям внезапных обрушений.
Под руководством Мамсурова Л.А была обоснована методологическая основа создания рациональных систем и технологий разработки жил с применением самоходных машин и скважинной отбойки. Методическая часть исследования позволила определить рациональные параметры типовых систем подэтажной нисходящей и комбинированной разработки жил без захода людей и машин в выработанное пространство. Классифицированы комбинированные способы эффективной доставки руды с использованием скважин при разработке маломощных жильных месторождений. Установлена технологическая и экономическая эффективность применения скважин малого диаметра при разработке жильных месторождений [122].
Мансуровым Л.А. проводились изыскания эффективных способов подготовки и нарезки блоков, разработки различных конструкций днищ для разработки жильных месторождений. Предложены системы и технология разработки наклонных и крутопадающих жильных месторождений с использованием высокопроизводительного оборудования и скважинной отбойки [81, 122].
Данные разработки применимы для условий залегания жильных месторождений в устойчивых рудах и породах. Для применения их в сложных горно зо геологических условиях золоторудных месторождений требуется дополнительное изучение и исследования геологической среды.
В последние десятилетия прошлого века совершенствовалась сплошная система разработки с выемкой по простиранию (Томилов В.Д., Зайцев Б.М., Ци-хоня М.Л.) [132]. На Токурском руднике внедрена сплошная система с наклонным забоем и нисходящей выемкой взамен восходящей выемки, отличающаяся большими потерями руды. Это позволило увеличить запасы камер с 74 до 81%, повысить интенсивность очистной выемки на 5-20%, сократить потери, уменьшить почти вдвое расход лесоматериалов, на 28,8% увеличить производительность забойных рабочих [132].
При выемке тонких жил использовали раздельную выемку руды и породы различными вариантами систем с открытым очистным пространством или закладкой. Производительность труда забойного рабочего при селективной выемке крайне низкая 0,7-1,5 м3/смену [3, 66, 115, 118, 164].
При среднеустойчивых обнажениях висячего блока и пологом залегании на рудниках применяется камерно-столбовая система разработки, для которой характерны большие потери руды в целиках и высокое разубоживание (до 40-60%). Институтом Иргиредмет эта система усовершенствована на Ангренском руднике. Разработан и внедрен вариант камерно-столбовой системы разработки с увеличенным пролетом очистных камер и вариант системы с раздельной выемкой руды. Предложены эффективные системы разработки камерами с последующей закладкой твердеющей смесью и камерно-столбовая с использованием временной пневмобаллонной крепи [132].
Иркутский государственный технический университет (руководитель Ляхов А.И.) провели исследования по обоснованию допустимых пролетов обнажения камер и размеров устойчивых целиков при камерно-столбовой системе с креплением распорными стойками для Кедровского и Ирокинденского месторождений [57, 120]. Данная методика расчетов имела существенный недостаток - не учитывало реальное поле напряжений в условиях многолетней мерзлоты. А.И. Ляхов [116, 117] заострил вопросы необходимости более тщательной зачистки руды в почве очистного пространства. По данным исследований на Средне-Голготайском руднике в почве камер остается до 8.1% от количества отбитой руды с повышенным средним содержанием (до 16,1 г/т) за счет высвобождения металла при мелком дроблении руды и его гравитационном осаждении в неровностях и трещинах почвы. Установлено, что наибольшее количество теряемого металла расположено на скреперных дорожках. Он предложил применять на скреперных дорожках специальные настилы и рациональное сечение скреперной выработки.
Основоположником идеи использования применения льда и породы в качестве закладки в нашей стране являлся Бокакин В.П. [11]. В ИГД Севера (Необутов Г.П., Шкулев СП., Зубков В.П., Гринев В.Г.) [134, 135] разработали технологию добычи руды из наклонных залежей с льдопородной закладкой. Система внедрена на руднике «Бадран» и показала свою эффективность при отработке наклонных золоторудных жил в неустойчивых вмещающих породах. Недостатком этой системы разработки является то, что возведение льдопородных целиков требует длительного времени. Развитием научного обоснования систем с льдопородной закладкой занимались Галченко Ю.П., Сабянин Г.В., Емельянов В.И., Красных С.Н., Михайлов Ю.В. и др. [45, 64, 104, 125]. СЕ. Фидри было предложена стадийная выемка и варианты камерной выемки с принудительной посадкой кровли и заморозкой с последующим взятием целиков. Данная технология позволила снизить разубоживание руды с 50 до 34% [190]. В работах Дядькина Ю.Д., Па-ненкова Ю.И. [59] отражена технология отработки целиков с закладкой отработанного камерного пространства, которая упрочнялась путем искусственного замораживания.
С переходом отработки запасов жильных месторождений на глубокие горизонты Рафиенко Д.И. [164, 165] предложил новые варианты систем выемки крутопадающих жил в условиях перехода от систем с магазинированием к системам с закладкой. Предложена система разработки крутопадающих жил с гидравлической закладкой хвостами обогащения. Разработаны варианты систем с применением железобетонных целиков и днищ. Рекомендована технология закладочных работ с применение метода инъекции. Рассчитаны параметры коротких магазинов и систем с подэтажной отбойкой с последующее закладкой камер различными видами закладочного материала [3, 163, 164].
Читинским филиалом ВНИПИГорцветмет, ИПКОН АН СССР, Днепропетровским горным институтом, ПО «Забайкалзолото» предложена технология выемки тонких крутопадающих жил с применением очистного механизированного пневмобаллонного комплекса. Использование пневмобаллонных очистных комплексов позволяет снизить ширину очистного пространства до 1 м, тем самым снизить разубоживание при отработке тонких жил [164].
Обоснованием применения пневмобаллонной крепи и скважинной отбойки при отработке наклонных жил занимался Читинский филиал ВНИПИ Горцветмет с внедрением на руднике «Холтосон» (Лизункин В.М., Волков Е.С., Подскребы-шевИ.М. и др.) [112].
Назарчик А.Ф., Галченко Ю.П. разработали технологию разработки сплошным забоем по простиранию с применением механизированного комплекса КОВ-25. Очистной комплекс КОВ-25 предназначен для ведения очистной отбойки руды скважинами глубиной до 25 м. Дано оптимальное решение по параметрам применения скважинной отбойки руды малого диаметра. Применение данной технологии позволило увеличить производительность труда забойного рабочего в три раза, не снижая качество руды [164].
В 60-х годах XX века Агошков М.И., Паисов И.В., Шукюров Р.И., Поладко Е.П., Хореев В.А., РафиенкоД.И., Шелест Л.А., Жердев Ф.Г., Мансуров Л.А., Лобанов Д.П., Позняков С.Я., Мамедов Ш.Н., Мухтаров Г.Г. [81] разрабатывали вопросы применения для отбойки руды шпуров малого диаметра с усиленными ВВ. Так, исследования Мансурова Л.А. на жильных месторождениях, проведенные в различных горно-геологических условиях (более 6000 м шпуров), показали, что изменение диаметра коронки с 43 44 до 30-32 мм увеличивает скорость бурения в крепких породах в 1,7-2,5 раза.
Обоснование технологии оконтуривания промышленных руд на основе использования свойства фрактальности распределения золота в геологической среде
Выше раскрытые особенности распределения золота в пространстве рудных тел, отсутствие визуальных критериев ограничения промышленных руд, неоднородная гранулометрия золотин в руде и особые физико-механические свойства золота предопределяют низкую эффективность существующей технологии геологического обеспечения горных работ, связанных с добычей балансовых запасов. Условный характер границы и прерывистый характер оруденения не позволяют корректно определить показатели приконтурных потерь и разубоживания. В сложившейся ситуации представляется целесообразным принципиально сменить технологию оконтуривания промышленных руд. Основные позиции предлагаемого подхода:
1. Процесс геометризации рудного тела — это последовательное внутрикон-турное таксономирование распределения золота по классам содержаний в направлении от богатых к бедным, а не наоборот, как в существующем принятым подходе. Это позволит выявить и правильно учесть природные границы внутренних неоднородностей, несущих основной запас металла, и, как следствие, объективно учесть зоны и степень влияния повышенных значений содержаний при их осреднении в условиях прерывистости и нелинейности поля концентрации золота в рудном теле.
2. Принятие в качестве бортового содержания нижнего предела промышленных содержаний 1 г/т для выделения условно непрерывного промышленного рудного тела путём «обрезки» наиболее крупного по масштабу таксона, объединяющего все более мелкие таксоны, контролирующие основной запас металла.
3. Использование осредненных значений содержания металла (средних содержаний по классам) вместо значений по одиночным пробам, как при оценочных расчетах, так и при выделении в рудном теле элементов неоднородности распределения металла различных масштабов. Это снимет проблему учёта ураганных проб. По причине низкой достоверности содержания металла в единичной пробе логичен вопрос о корректности использования тех же содержаний по пробам при оценке качества руды в естественном залегании, как было показано выше. Содержание в пробе зависит от попадания или непопадания золотины в навеску, отправляемую на пробирный анализ. Исходя из этого, целесообразно учитывать каждую пробу, но не с конкретным значением содержания в ней металла, а принадлежность ее к конкретному сорту руды, характеризующемуся неким классом содержаний с определенными пределами колебаний значений в единичных пробах и конкретным средним содержанием в целом по классу. Взаиморасположение проб, относящихся к определенному классу, позволит пространственно определить границы распространения данного сорта руды. Взвешивание повышенных содержаний по пробам на площадь распространения соответствующего класса позволит более объективно учесть ее при усреднении.
4. Оконтуривание на стадиях эксплоразведки, окончательной подготовки запасов и к выемке (эксплоопробование), когда мы располагаем необходимым и достаточным объемом исходной информации, необходимо проводить по методике последовательного таксономирования поля концентрации золота. В этом случае границы промышленных руд будут являться природными границами аномальных концентраций золота, удовлетворяющей требованиям промышленности, т.е. минимально-промышленному содержанию в объекте селекции, который будет иметь статус промышленного рудного тела, а фактически - это элемент неоднородности поля концентрации золота определенного иерархического (масштабного) уровня.
5. Методика последовательного таксономирования поля концентрации золота должна отвечать следующим требованиям: — корректность, т.е. соответствовать природным закономерностям простран ственного распределения золота; - строгость и универсальность технологии выделения таксонов независимо от их масштаба. Понимание сущности предлагаемой методики геометризации связано с более глубоким раскрытием указанных выше позиций. Рассмотрим их более подробно с использованием конкретного среза рудного тела с достаточным насыщением его данными опробования. Он будет служить в качестве иллюстрации предлагаемых методических решений. Это участок рудного тела «Вавиловское» на горизонте штольни № 12 Зун-Холбинского месторождения. Поскольку, содержание в пробе зависит от попадания или непопадания золотины в навеску, оно может измениться на порядок или при более крупных ее размерах (-1,0+0,5 мм) на два и более порядков (см. таблицу 2.1). Исходя из этого, предлагается учитывать каждую пробу не с конкретным значением содержания в ней металла, а принадлежность ее к конкретному сорту руды, характеризующемуся неким средним содержанием вполне определенными пределами колебаний значений в единичных пробах. Взаиморасположение проб, относящихся к определенному классу, позволит пространственно определить границы распространения данного сорта руды. Исходя из опыта разведки и эксплуатации, на золоторудных месторождениях можно выделить следующие сортовые разновидности руд. 1.Убогие руды. Содержания в них колеблются в диапазоне следы - 1,0 г/т. Практически это не промышленная руда, лишь в условиях высокой степени окисления она может служить рудой для кучного выщелачивания. 2. Средние (или рядовые) руды. Содержания металла колеблются в интервале 1,0-10,0 г/т. 3. Богатые руды. Содержания в них изменяются в пределах 10,0-100,0 г/т. 4. Весьма богатые руды. Колебания содержаний от 100 г/т и более.
С целью учёта свойства нелинейности поля концентрации золота нами выбраны логарифмические классы изменения содержаний в выделенной выше условной сортности, поэтому уровень концентрации металла в смежных классах отличается на порядок (модель десятичного логарифма). Это обстоятельство в условиях больших погрешностей содержаний в единичных пробах позволит более корректно разделять руды по предложенным сортам. Опять же, учитывая свойство нелинейности поля концентраций золота, среднее содержание металла в каждом сорте следует определять с использованием функции натурального логарифма, который обеспечивает более «мягкую» модель учёта нелинейности распределения влияния аномальных значений содержаний (таблица 2.2).
Влияние криолитозоны на эффективность извлечения металла из недр
Более подробно влияние температурного режима на вмещающие породы и руды, а также на отбитую горную массу в условиях многолетней мерзлоты предлагается рассмотреть на примере Ирокиндинского месторождения. Оно расположено в пределах геокриологической формации Станового нагорья Северного Забайкалья и является типичным представителем золоторудных месторождений Сибири и Северо-Востока РФ, залегающих в многолетней мерзлоте. Геологами «Октябрьской» геолого-разведочной партии в ходе разведки данного месторождения определено, что многолетнемерзлые породы распространены здесь повсеместно. Геотермический градиент равен 1,6 С на 100 м. Средняя температура горных пород на глубине слоя равна минус 5,5 С. Мощность толщи многолетне-мерзлых до 200 м. Глубина сезонного оттаивания на склонах северной экспозиции не превышает 1 м, на склонах южной экспозиции -2 м. Льдистость и криогенная температура пород определяется характером пористости рыхлых отложений и трещиноватостью кристаллических образований. Мерзлыми основными породами рудного района являются скальные слабо трещиноватые породы, лед в которых встречается в виде линз и мелких прожилков. Мощность отдельных линз льда достигает 5-10 см, мощность прожилков не превышает 1-2 см. Ниже глубины развития региональной трещиноватости (100-120 м) распространена главным образом так называемая «сухая» мерзлота, т.е. породы, не содержащие видимых кристаллов льда. Широкое развитие многолетнемерзлых пород определяет специфику гидрогеологических условий участка, где вода почти повсеместно, за исключением деятельного слоя, находится в твердой фазе. Основным типом подземных вод являются надмерзлотные воды, приуроченные к сезонно оттаивающему слою. Они формируются за счет атмосферных осадков и таяния деятельного слоя, что определяет особенности их режима - сезонность и непостоянство расходов грунтовых потоков во времени. Проникновение этих вод возможно в летний период в приустьевых частях горных выработок и наблюдаются в виде небольшого капежа с кровли штолен. Последующие исследования в период эксплуатации месторождения [139, 140, 141, 143, 151, 153, 176] показали, что состояние массива многолетнемерзлых пород отличаются от полученных данных геологической партии «Октябрьская». Ниже проведены исследования состояния массива горных пород шахтного поля в криолитозоне.
Измерение температуры пород и воздуха в горных выработках шахтного поля рудника на разных расстояниях от поверхности проводились цифровым тер 83 мометром ТИМ - 9210М4, № 2442, (термодатчик ТТЦ 01-180). Точность измерений электронного термометра 0,1 С, а диапазон измерений от минус 50 С до плюс 200 С (замеры температуры проводились совместно с Семеновым Ю.М.). Прибор прошел проверку в аттестованной лаборатории и перед измерениями проводили сверку с эталоном. По составленной методике замеры температур горных пород и воздуха проводились в зимнее и летнее время в выработках жил № 30, №35, «Центрально-Тулуинская», представляющие собой обособленные объекты, вскрытые в широком диапазоне подземных горизонтов и имеющие значительную удаленность проходческих и очистных забоев от устья штолен. В качестве примера частично приведены результаты замеров температуры пород в феврале и августе 2006 года по жилам: «Центрально-Тулуинская», № 30, № 35 (таблицы 3.2-3.3). Результаты измерений в феврале по жиле «Центрально-Тулуинская» показали, что температура пород от горизонта к горизонту меняется. Самая низкая (средняя) температура пород зафиксирована на горизонте штольни № 43 и составляет минус 3 С, а затем в штольне № 42 минус 2,8 С, в штольне № 16 минус 1,3 С, в штольне № 18 около минус 0,4 С, на горизонте штольни № 39 и на уровне горизонта 900 м температура пород варьируется в пределах минус (0,1-0,2) С, а на горизонте 875 м температура пород становится уже плюсовой (+1 С), т.е. породы горизонта 875 м находится ниже нижней границы толщи криолитозоны [139].
При этом отмечено влияние температуры воздуха в шахтном поле на температуру пород. Так, при смене направления воздушной струи с присущей ей температурой изменялась и температура пород, а с удалением от устья штолен температура их выравнивалась. Подобный характер изменения температур оказался в шахтном поле жил № 30 и № 35. В последующем замеры температуры горных пород в шахтном поле по очистным блокам показали, что она повышается с глубиной и колеблется в пределах от минус 3 С в блоках, находящихся вблизи от устья штолен, до плюс 1-2 С в глубине.
Таким образом, по результатам проведенных исследований температурного состояния пород проходческих и очистных выработок и воздуха шахтного поля можно заключить, что Ирокиндинское рудное поле находится в толще многолет-немерзлых пород с температурой от минус 3 С (штольня № 43) до минус 0,2 С (штольня № 39) по жиле Центрально-Тулуинская» и минус 3,8 С (штольня № 34) до 0 С (горизонт 1059 м) жил № 35 и № 30 (см. таблицы 3.2-3.3).
Обоснование системы комплексной оценки устойчивости горных пород и руд жильных месторождений
На основе базовых теоретических представлений о потерях и разубоживании руды при выемке запасов (Агошков М.И., Ляхов А.И. и др.) в работе рассмотрены случаи возникновения потерь золота на золоторудных месторождениях, отрабатывающих балансовые запаса в условиях криолитозоны.
Потери запасов руды и металла, для условий золотодобывающего рудника, можно классифицировать следующим образом: потери балансовых запасов, не отделённых от массива, то есть оставленных по разным причинам в целиках; потери балансовых запасов отделенных от массива, т.е. в отбитой рудной массе, как правило, в форме рудной мелочи.
Исследования, проведенные нами на ряде золоторудных месторождений Сибири [138, 141, 148,1 53, 154], выявили, что в условиях дискретного распределения металла в рудном теле, не достоверно определяются забалансовые целики и контур промышленных запасов, в том числе не отбитые остатки руды в подошве и кровле. Присутствуют так называемые «скрытые» потери металла в забалансовых участках, которые выконтуриваются по данным эксплоопробования в ходе отработки запасов по причине низких содержаний металла в руде или малой мощности жилы, хотя, в целом, по всей площади отработанные запасы блока классифицированы как балансовые. То есть присутствует «скрытая» выборочная отработка. Эти участки остаются обычно в виде «забалансовых целиков», которые не всегда будут таковыми. Например, количество балансовой руды в таких «ложно забалансовых» целиках, среди оставленных в блоке, находилось до 9% от общего количества теряемой руды на первом этапе погашения запасов в условиях применения камерно-столбовой системы отработки на месторождениях Кедровское и Ирокиндинское. Поскольку, выявленный вид потерь не зависит от условий крио-литозоны, то в дальнейшем на этом виде потерь останавливаться не будем, но, безусловно, их необходимо учитывать при выборе геотехнологии.
Возникающие в условиях криолитозоны свойства отбитой руды существенно влияют на показатели потерь металла, а также на производительность выпуска и доставки руды. В ходе исследований состояния отбитой руды при выпуске и доставке было выявлено, что при отрицательных температурах руда и, особенно при знакопеременном температурном режиме, начинает смерзаться, если не идёт её движение в течение суток. Наибольшая скорость замерзания отмечается в зоне выработок, где происходит движение воздуха.
К примеру, согласно существующим на руднике Ирокинда нормативам мощность слоя теряемой рудной мелочи на почве блока принимается 0,015 м. На 1 м площади приходится в среднем 0,0255 т рудной мелочи. Проведенные нами работы по зачистке подошвы блоков выявили, что даже после зачистки рудной мелочи под метелку и металлическую щетку, остается руда, раннее не учитываемая. Механизм их образования состоит в том, что в ходе производства взрывных работ в первую очередь стараются сохранить висячий контакт породы и жилы в кровле, а нормативную мощность очистного пространства держат за счет подрыва подошвы. Таким образом, в почве образуются взрыхленная неровность с полостями и трещинами. В дальнейшем эти полости и трещины забиваются рудой взрывом и заглаживаются скрепером в ходе доставки руды и ее зачистки. Усугубляющим фактором служит увлажнение руды в ходе бурения и разницы температуры воздуха и рудной массы. В итоге, в ходе добычных работ, подошва блока заглаживается и создается мнимое представление об истинном положении поверхности почвы блока. Не верность этого представления выявили после определенного времени, когда проверили место зачистки. На испытуемой площади появился слой рудной мелочи (рисунок 3.10).
Произошло выветривание заглаженной руды на глубину до 0,05 м. Под воздействием холодного воздуха с температурой минус 4 С, проходящего через очистное пространство блока за счет естественной тяги, происходит процесс вымораживания влаги из отбитой рудной массы и она рассыпается. Затем, после зачистки рассыпавшего слоя выветривания, через четыре месяца повторили осмотр и выявили, что в местах, где не было скального контакта обнаружено вновь наличие сухой рудной мелочи, поддающейся уборке.
Помимо потерь в наморозке рудной мелочи, фактически толщина условно принятого слоя будет намного больше за счет неравномерных ее намороженных скоплений в западинах почвы блока, по бокам скреперных дорожек, у деревянных бордюров, около крепежных стоек, у подножья целиков и др. (рисунок 3.11).
Расчет баланса добываемой и теряемой руды в виде рудной мелочи показывает, что толщина такого «сверхнормативного» слоя, особенно на неровной по-верхности блока может составить 0,07 м. В этом случае в среднем на 1 м площади будет сосредоточено 0,12 т рудной мелочи.
Для объективной оценки возможностей снижения эксплуатационных потерь руды и металла, связанных с оставлением рудной мелочи в подошве очистного пространства, необходимо обладать соответствующей информацией о характере распределения золота в этой категории потерь. Прежде всего, нужно знать содержание металла в теряемой рыхлой массе руды и как оно меняется в пространстве. Для этого в блоке 2 С1-3 жилы «Центрально-Тулуинская» дважды проведено специальное опробование рудной мелочи равномерно по всей площади почвы открытого очистного пространства. Первый этап опробования (отобрано 42 пробы) проведён после обычной зачистки отбитой руды, а второй (отобрано 44 пробы) — после повторной уборки с зачисткой выветренного слоя рудной мелочи (рисунок 3.12).
Исследовано распределение золота по классам крупности рыхлого материала. Результаты, полученные по двум, специально отобранным пробам, отображены на рисунке 3.13. Установлена общая тенденция в распределении золота по фракциям разной крупности материала. Она заключается в том, что чем меньше крупность материала, тем выше в ней содержание золота и серебра. Однако соотношение классов крупности материала по массе таково, что частицы крупнее 1 мм составляют 80-85% общей массы рудной мелочи и, несмотря на более низкие содержания в ней металла, несут в себе его основную часть (70-80%). На мелкие фракции (-1 мм), масса которых не превышает 15-20%, хотя там и содержания золота и серебра относительно высокие, приходится всего лишь 20—30 % от общего количества металла, теряемого в рудной мелочи [141, 153].
Динамика изменения потерь по выделенным группам в процессе последовательного погашения запасов в исследуемом балансовом блоке выглядит следую 107 щим образом (таблица 3.7). Суммарные потери руды и металла при отработке системой с креплением и оставлением целиков составляют 24,9%, в том числе примерно 2,2% в ложно-забалансовых целиках. Потери в рудной мелочи равны 4% руды и 1,8% металла. Общие потери в целиках и рудной мелочи по руде составят - 28,9%, а по металлу - 26,7%. После частичной выемки целиков потери балансовой руды в блоке снижаются до 19,8%, а металла до 18,3%, в том числе потери в целиках, соответственно, руда и металл 9,9%, потери в виде рудной мелочи - руда 9,9% , металл в этой рудной мелочи 8,4%. Потери балансовых запасов после повторной зачистки, в оставленных целиках составили: руда и металл 9,9%, а в рудной мелочи - руда 1,4%, металл 1,2 %. Суммарные потери балансовых запасов по руде и металлу в оставленных целиках и рудной мелочи будут находиться в пределах 11,1-11,3%. Эти потери руды и металла, при применении более совершенных технологий, могут быть снижены до 1-3%.
При обработке результатов опытных работ было проведено вычисление и анализ показателей, характеризующих полноту и качество извлечения полезного ископаемого из недр. Формирование исходных данных и вычисление показателей сведены в соответствующие таблицы 3.7-3.8. Исследование проведено в режиме последовательного развития процесса извлечения балансовых запасов из блока 2 С1-3: камерно-столбовая отработка запасов блока с оставлением целиков и креплением распорными стойками, частичная отработка целиков с использованием специальных технологий, и, наконец, извлечение рудной мелочи после повторной зачистки. Результаты приведены в форме нарастающего итога. Для облегчения восприятия материала в таблицах приведены необходимые формулы, используемые для расчёта оценочных показателей. В таблицах 3.7 и 3.8 также приведены параметры и показатели поэтапной отработки балансовых запасов блока 2 С1-3 в режиме нарастающего итога.
