Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ технологий и опыта утилизации техногенного сырья при освоении рудных месторождений 6
1.1. Анализ горно-геологических, горнотехнических условий формирования, складирования и хранения техногенного сырья и перспективы его утилизации 6
1.2. Влияние технологических свойств отходов добычи и переработки медно-колчеданных руд на их утилизацию 14
1.3. Особенности утилизации отходов добычи медно-колчеданных руд при комплексном освоении месторождений 25
1.4. Особенности технологии утилизации отходов переработки руд при комплексном освоении рудных месторождений и конструктивного исполнения оборудования, их реализующего 32
1.5. Цель, задачи, методы исследование 48
2. Развитие научно-методических основ технологии и механизации процессов обезвоживания при комплексном освоении недр 53
2.1. Классификация методов и процессов утилизации отходов добычи и переработки медно-колчеданного сырья и анализ их аппаратурного обеспечения 53
2.2. Особенности технологических и конструктивных решений по утилизации отходов переработки руд в выработанном пространстве рудников 63
2.3. Особенности технологических и конструктивных решений по утилизации отходов добычи руд в выработанном пространстве рудников 71
2.4 Разработка методики выбора технологических решений по утилизации отходов добычи и обогащения в выработанном пространстве рудников 83
Выводы по 2 главе 87
3. Обоснование технологии и конструктивных параметров оборудования для утилизации отходов добычи и переработки руд в выработанном пространстве недр 89
3.1. Обоснование конструктивных параметров вертикального сгустителя при утилизации отходов обогащения в подземном выработанном пространстве
3.2. Экспериментальное исследование влияния конструктивных параметров вертикальных сгустителей на показатели сгущения 94
3.3. Расчет параметров гидротранспорта сгущенной пульпы с рекуперацией электроэнергии при её размещении в выработанном пространстве рудников 104
3.4. Исследование влияния параметров и конструктивных особенностей оборудования для приготовления закладочной смеси в подземных горных выработках на показатели закладочных работ 121
Выводы по 3 главе 132
4. Технико-экономическая оценка эффективности разработанных технологических решений 134
4.1. Разработка алгоритма выбора технологической схемы комплексной утилизации отходов добычи и переработки руд в выработанном пространстве подземного рудника с рекуперацией электроэнергии 134
4.2. Технико-экономическая оценка рекомендаций по утилизации отходов от проходки горных выработок для месторождений Учалинского ГОКа 142
4.3. Энергетическая и технико-экономическая оценка рекомендаций по утилизации отходов переработки руд в выработанном пространстве для месторождений Учалинского ГОКа 150
Выводы по 4 главе 164
Заключение 166
Список литературы
- Особенности утилизации отходов добычи медно-колчеданных руд при комплексном освоении месторождений
- Особенности технологических и конструктивных решений по утилизации отходов переработки руд в выработанном пространстве рудников
- Экспериментальное исследование влияния конструктивных параметров вертикальных сгустителей на показатели сгущения
- Технико-экономическая оценка рекомендаций по утилизации отходов от проходки горных выработок для месторождений Учалинского ГОКа
Введение к работе
Актуальность работы. Устойчивая тенденция увеличения глубины ведения горных работ с вовлечением в отработку бедных по содержанию руд вызывает рост объемов отходов их добычи и переработки, что при разработке медно-колчеданных месторождений Урала сопряжено с ростом изъятия дополнительных земель для размещения техногенного сырья. Анализ отечественного опыта разработки месторождений твердых полезных ископаемых показал, что даже при современном развитии науки и техники большинство горно-перерабатывающих предприятий продолжают формирование техногенных образований на основе традиционных требований к складированию отходов в хвостохранилищах и отвалах. Только на Урале ежегодный прирост объемов техногенного сырья превышает 15 млн т. Сократить объемы складирования отходов возможно путем размещения их в выработанном пространстве рудников при применении систем разработки с твердеющей закладкой выработанного пространства.
Недостатками применения этого класса систем разработки являются
высокая стоимость вяжущего, инертного заполнителя, транспортирования
материалов и приготовления закладочной смеси. При этом затраты на подготовку
заполнителя смеси достигают 18%. Нередко предприятия вынуждены специально
отрабатывать месторождения строительного камня или песка, либо доставлять их
с высокими транспортными расходами. Альтернативным материалом,
выполняющим роль инертного наполнителя в составе закладочной смеси, могут
быть породы от проходки горных выработок и сгущенные отходы обогащения руд.
Как показали исследования, выполненные в ИПКОН РАН, подготовка таких
смесей на передвижном закладочном комплексе модульного типа, размещаемом в
подземных выработках, позволяет сократить не только затраты на
транспортирование материалов, но и расход вяжущего. Это соответствует
принципам комплексного и экологически сбалансированного освоения
месторождений, которые предполагают полное использование всех извлекаемых георесурсов с утилизацией отходов добычи и переработки руд в выработанном пространстве недр.
Сдерживающим фактором внедрения прогрессивных технологии является, прежде всего, недостаток опыта их использования в условиях подземных рудников, отсутствие надежного серийного малогабаритного оборудования, которое может быть смонтировано и закреплено для эксплуатации в подземных выработках, а в последующем достаточно легко демонтировано для перемещения вслед за развитием фронта горных работ. Выбор месторасположения и периодичности перемещения комплекса по утилизации отходов добычи и переработки руд должен определяться по минимуму затрат на транспортирование технологических материалов, монтаж, демонтаж и перемещение модулей оборудования комплекса.
Поэтому обоснование параметров энергоэффективной технологии и комплекса передвижного оборудования для утилизации отходов добычи и переработки медноколчеданного сырья в закладке выработанного пространства представляет весьма актуальную научно-практическую задачу.
Целью работы является определение и обоснование параметров
энергоэффективной технологии закладки выработанного пространства подземных
рудников для повышения эффективности освоения медно-колчеданных
месторождений и утилизации отходов добычи и переработки руд в выработанном пространстве недр.
Идея работы заключается в определении параметров технологии утилизации отходов в выработанном пространстве рудника с применением перемещаемого в подземных выработках оборудования для приготовления закладочной смеси с одновременным использованием энергии движущейся массы для воспроизводства электроэнергии.
Объект исследования - технология утилизации отходов добычи и переработки медноколчеданных руд в закладке выработанного пространства.
Предмет исследования - параметры технологии установки, эксплуатации и перемещения комплекса специального малогабаритного оборудования для утилизации отходов добычи и переработки руд в условиях подземного рудника с сопутствующим воспроизводством электроэнергии путем использования энергии движущихся масс.
Задачи исследований:
анализ и обобщение мирового опыта утилизации отходов добычи и переработки руд на горных предприятиях с учетом особенностей вещественного состава и структурных характеристик отходов переработки и добычи руд и формируемой на их основе закладочной смеси;
классификация методов и процессов утилизации техногенного сырья, обоснование конструкции оборудования для утилизации отходов от ведения горных работ в твердеющей закладке, а также изыскание устройств, преобразующих энергию движущихся водных и пульпаобразных масс в электрическую;
разработка структурной и технологической схемы приготовления закладочной смеси на основе отходов добычи и переработки руд в выработанном пространстве рудника;
обоснование состава и параметров комплекса малогабаритного оборудования для обезвоживания отходов переработки руд в выработанном подземном пространстве и исследование влияния конструктивных параметров оборудования на показатели сгущения и режимы работы технологического оборудования;
разработка алгоритма выбора рациональных технологических решений по утилизации в условиях подземного рудника отходов горных работ и обогащения в выработанном пространстве рудников и оценка их эффективности.
Положения, выносимые на защиту:
-
При разработке крутопадающих месторождений, удаленных от обогатительного передела, размещение в подземных выработках по вертикали комплекса, перемещаемого вслед за развитием горных работ оборудования для дезинтеграции пород от проходки выработок, сгущения хвостовой пульпы и приготовления закладочной смеси с преобразованием энергии движения компонентов и готовой закладочной смеси в электрическую обеспечивает сокращение энергопотребление рудника не менее 25%.
-
Сгущение хвостов обогащения медно-колчеданных руд в подземных выработках для утилизации их в закладке выработанного пространства следует осуществлять в вертикальных сгустителях противоточного типа, с расстоянием между пластинами S =-0,0004x2 + 0,3971x + 9,4172 и углом наклона пластин =-0,0468x+66,874, с подачей в камеру флокулянта «Magnafloc 10» дозировкой 25 г/т.
-
Минимизация промежуточных звеньев и передаточных устройств, перемещение и монтаж в подземных выработках оборудования закладочного комплекса модульного типа при помощи самоходных ПДМ, закрепление оборудования металлическими анкерами в породах почвы и бортов выработки обеспечивает его надежную эксплуатацию при приготовлении закладочной смеси требуемого качества без обустройства фундаментов и создает условия для оперативного демонтажа комплекса и его перемещения вслед за развитием горных работ.
4. Для преобразования энергии движущихся в процессах закладки жидких,
пульпаобразных и сыпучих масс в электрическую энергию, в ходе реализации
вспомогательных процессов рудничного водоотлива и размещения техногенной
смеси в выработанном пространстве рудников, следует применять осевые турбины
лопастного, роторного или ковшового типа в зависимости от консистенции и
гранулометрического состава смеси.
Научная новизна работы:
1. Структуризация процессов утилизации отходов добычи и переработки медноколчеданных руд по видам применяемого оборудования и условиям его эксплуатации.
2. Систематизация структурных и технологических схем комплексов
механизации процессов утилизации отходов добычи и переработки руд в
твердеющей закладке выработанного пространства по критерию максимума
производительности и энергоэффективности с целью выявления наиболее
рациональных комплексов механизации для существующих и вновь
проектируемых предприятий.
3. Методика обоснования параметров комплекса модульного
малогабаритного оборудования, необходимого для приготовления закладочной
смеси на основе отходов от проходки горных выработок и сгущенных отходов
обогащения руд, отличающаяся учетом специфики размещения, эксплуатации и
перемещения оборудования в выработках подземного рудника.
4. Алгоритм и методическое обеспечение выбора приоритетной
структурной и технологической схемы механизации работ по утилизации отходов
добычи и переработки медноколчеданных руд в твердеющей смеси для закладки
выработанного пространства.
Личный вклад автора состоит в обосновании методики и проведении моделирования процесса сгущения хвостов обогащения медноколчеданных руд, с установлением зависимостей показателей процесса сгущения в сгустителе вертикального типа, а также в определении возможностей интенсификации процесса сгущения хвостов обогащения Учалинской обогатительной фабрики за счет применения флокулянтов, в определении рационального состава и структуры передвижного закладочного комплекса в выработках подземного рудника.
Практическая значимость работы заключается в разработке структурной и технологической схем подземного комплекса утилизации отходов добычи и переработки руд с воспроизводством электроэнергии в ходе реализации технологических процессов, обосновании конструкции шахтного вертикального сгустителя заданной производительности по объему инертного материала; в подборе средств механизации процессов перемещения, установки, монтажа и демонтажа оборудования подземного комплекса по утилизации отходов добычи и переработки руд в выработках подземного рудника; разработке технологических рекомендаций по утилизации отходов горного производства при разработке медно-колчеданных месторождений.
Достоверность научных положений, выводов и результатов
обеспечивается представительностью исходных данных; корректностью
постановки задач исследований; сопоставимостью результатов теоретических и
экспериментальных исследований; использованием современного оборудования и
апробированных методик; положительными результатами опытно-промышленной
апробации технологии закладки с применением передвижного оборудования в
условиях Учалинского подземного рудника, подтвержденных актами
государственных приемочных испытаний.
Методы исследований. В работе использован метод исследований,
включающий анализ вещественного состава и структурных характеристик отходов
обогащения медно-колчеданных руд, а также закладочной смеси, компьютерное
трехмерное твердотельное моделирование конструкции передвижного
оборудования, физическое моделирование процесса обезвоживания отходов обогащения; технико-экономический анализ.
Реализация работы. Результаты работы использованы при обосновании
технологии закладки при разработке месторождения «Озерное» Учалинского
ГОКа. Работа выполнялась в рамках государственного контракта с Минобрнауки
РФ № 16.525.12.5001 «Исследования и разработки по приоритетным направлениям
развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 годы» – опытно-
конструкторские работы по лоту №3 шифр «2011-2.5-525-005» по теме «Создание
ресурсосберегающей геотехнологии и комплекса оборудования для
высокопроизводительной закладки выработанного пространства при подземной отработке месторождений твердых полезных ископаемых», а также гранта Российского Научного Фонда № 14-17-00255 «Изыскание условий и обоснование
параметров электроснабжения горных предприятий за счет использования возобновляемых источников энергии на базе геомеханического обеспечения процессов разработки месторождений твердых полезных ископаемых».
Апробация работы. Основные результаты, положения и выводы
диссертации докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме
«Неделя горняка» (Москва, 2014 г.); X Всероссийской молодежной научно-
практической конференции по проблемам недропользования (Екатеринбург, 2014
г.); 72 научно-технической конференции Магнитогорского государственного
технического университета им. Г.И. Носова (Магнитогорск, 2014 г.); XI
Международной научно-практическая конференции «Чтение памяти
В.Р. Кубачека: Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности» (Екатеринбург, 2013 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 печатных работах, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация представлена на 180 страницах, состоит из введения, 4 глав, заключения и содержит 64 рисунков, 34 таблиц, библиографический список из 101 наименования.
Особенности утилизации отходов добычи медно-колчеданных руд при комплексном освоении месторождений
С каждым годом существенно растет объем отходов горных предприятий при одновременно усложняющихся горно-геологических условиях разработки месторождений и снижении среднего содержания полезных компонентов в вовлекаемых в разработку запасах. Тем самым на земной поверхности формируются огромные по занимаемой площади и высоте отвалы и хвостохранилища отходов горно-обогатительного и металлургического производства [60]. Концепция комплексного освоения недр предопределяет необходимость формирования из них техногенных образований, перспективных для вовлечения в последующую эксплуатацию и утилизацию. Утилизация (от лат. Utilis — полезный) - использование ресурсов, не находящих прямого применения, вторичных ресурсов, отходов производства и потребления [2,10,80].
Техногенные образования горных предприятий представлены различным по генезису минеральным сырьем и характеризуются их большим разнообразием гранулометрического состава, структурного и агрегатного состояния, физических, химических характеристик, технологических свойств. Причем, тонкодисперсные отходы (хвосты обогащения руд, шламы) существенно отличаются по свойствам от скальных и полускальных отходов добычи руд. Горнодобывающая отрасль производит ежегодно около 30 млрд. т твёрдых отходов. При первичной переработке руд в хвосты уходит 60-95% всего объёма перерабатываемой горной массы. О масштабах техногенных образований можно судить по тому, что до 95% от объема добываемой из недр горной массы, накапливается в виде отходов в отвалах и складах некондиционных руд и других хранилищах техногенного сырья [2]. К примеру, для производства 1 тонны меди необходимо переработать до 1000 т горной массы. В результате до 99 % этой горной массы складируются на земной поверхности. Общая площадь земель, занятых под складирование твёрдых отходов в странах бывшего CCCP, на сегодняшний день превышает 1,5 млн. га [60].
Реализация современных подходов к организации производства на предприятиях горной и металлургической промышленности невозможна без комплексного использования георесурсов, разработки и внедрения ресурсосберегающих и ресурсовоспроизводящих геотехнологий [80]. Комплексное освоение месторождений предполагает комплексное использование всех содержащихся в рудах полезных компонентов при применение рационального сочетания известных и перспективных физико-химических геотехнологий преимущественно малоотходных, переработку и обязательную утилизацию отходов горно-металлургического производства в сформированных открытыми и подземными работами выработанных пространствах [29]. По этому пути более активно идут предприятия США, Германии, Японии, доля вторичного сырья которых при производстве чугуна составляет 40%, стали - 65%, меди - от 20 до 45% [14].
Данные факты свидетельствуют о наличии резерва роста рыночного потенциала технологий утилизации техногенного сырья и на отечественном рынке. Вместе с тем, анализ опыта проектирования геотехнологий свидетельствует, что лишь при разработке 15% мощных рудных месторождений в проектах предусмотрено какое-либо использование отходов добычи и переработки руд [2].
В настоящее время отсутствуют эффективные способы утилизации отходов, обеспечивающие получение из них товарной продукции, востребованной на рынке. Прежде всего это связано с невысокой извлекаемой ценностью техногенного сырья, практически сопоставимой с теми затратами, которые несут горные производства на простое складирование отходов либо их переработку. Вместе с тем, анализ мировой практики разработки рудных месторождений с утилизацией техногенного сырья свидетельствует, что комплексный подход к использованию техногенных георесурсов, в том числе выработанных пространств карьеров и подземных рудников, позволяет эффективно решать вопросы последующей утилизации отходов, образующихся в результате добычи и переработки руд [81].
Анализ сложившейся в горнопромышленном комплексе структуры отходов по их видам, источникам и способам складирования дает возможность целенаправленной оценки техногенных образований с точки зрения возможности использования их в качестве основного компонента для закладки выработанных пространств карьеров и рудников. Производственная деятельность горнодобывающих предприятий в общем цикле горно-металлургического производства образует следующие виды отходов: - отвалы пустых пород, формируемые при вскрышных работах и добыче полезного ископаемого; - хвосты и шламы, образуемые в результате обогащения рудной массы на обогатительных фабриках; - шлаки и кеки, формируемые в результате металлургического передела концентратов, поступающих с обогатительных фабрик [10].
Необходимо подробнее остановиться на отходах, образующихся в результате добычи и переработки руд цветных металлов, а также оценить и проанализировать основные принципы их складирования и возможности их дальнейшей утилизации
Открытая разработка месторождений полезных ископаемых связана с необходимостью выемки и перемещения значительных объемов вскрышных пород, покрывающих, а иногда и подстилающих залежь при разработке рудных месторождений. Перемещаемые объемы вскрышных пород складируются на специально отводимых для этой цели площадях. Насыпь, образующаяся в результате складирования вскрышных пород, называется отвалом, а совокупность производственных процессов по размещению вскрышных пород в отвал – отвальными работами [29].
Опыт складирования отходов добычи показывает, что, как правило, отвалы вскрышных пород имеют форму неправильной усеченной пирамиды. Они характеризуются следующими параметрами: высотой и числом уступов, углом откоса уступов, результирующим углом откоса отвала, приемной способностью, длиной и способом перемещения отвального фронта работ, размерами в плане и др. Хранение пород - это главное функциональное назначение техногенных массивов при внешнем и внутреннем отвалообразовании. При этом такое хранение может быть краткосрочным, например, в перегрузочных пунктах карьера, долгосрочным в складах забалансовой руды, либо постоянным в отвалах пустой породы. Породы в техногенные массивы могут укладываться с использованием точечного (при конвейерном транспорте), периферийного (при автомобильном и железнодорожном транспорте) или площадного (при автомобильном транспорте и доставке пород скреперами) способов [47]. Отвалообразование является завершающим этапом в технологической цепи производства вскрышных работ. От четкого и безаварийного выполнения отвальных работ в значительной степени зависят технико-экономические показатели работы горного и транспортного оборудования и всего карьера в целом. Необходимо отметить, что бессистемное формирование отвалов из отходов добычи руд влечет за собой массу негативных последствий, а именно: отчуждение занимаемых площадей, экологическую нагрузку на окружающие территории, значительные платежи за размещение отходов на дневной поверхности и т.д.
В настоящее время ряд отечественных предприятий накопили положительный опыт в области утилизации отходов добычи руд. Так, одним из направлений утилизации горнопромышленных отходов является производство строительных материалов, использование их в стройиндустрии без дорогостоящей дополнительной переработки. Экономическая эффективность использования вскрышных пород для производства строительных материалов обоснована тем, что затраты на их добычу уже вошли в стоимость основного сырья, и для предприятий строительной промышленности они по существу являются бесплатными (в части расходов на их добычу). Так, на Учалинском ГОКе для снижения объемов отвалов в настоящее время действует дорожностроительное участок, производящий фракционированный щебень марки «1100-1200» и дробленый песок марки «700-800» для собственных нужд (закладка выработанного пространства Учалинской шахты, строительные работы) [58]. За 2000 год использовано 600 тыс. м3 диабазового камня, в период с 2001-2005 гг. переработка составила 850 тыс. м3 в год. В 2000 году объем вскрыши Учалинского карьера и шахты составил 113 тыс. м3, из которых использовано 36 тыс. м3.
Зарубежные предприятия также эффективно используют отходы добычи руд в качестве одного из компонентов закладочной смеси, тем самым снижая объемы накопления отходов и себестоимость ведения закладочных работ. Например, во Франции для этих целей ежегодно используется 7,0-7,5 млн.м3 шахтных пород, из которых 80 % - для гидрозакладки. В Польше для закладки выработанного пространства используется 30-50 % отходов угольного производства в качестве добавок к закладочному материалу при гидрозакладке (4-7,5 млн. т в год). В Германии и Чехии для закладки выработанного пространства используется соответственно 4-4,5 млн. т и 3-3,5 млн. т пород от проходки горных выработок в Румынии - 50 %, Югославии - 25 % [30].
Представленный выше анализ литературных источников позволяет сделать вывод о том, что традиционное формирование отвалов отходов добычи на дневной поверхности, наряду с негативным воздействием на окружающую среду, в разы увеличивает себестоимость добытой руды, а проходящие процессы природного выщелачивания со временем снижают перспективную ценность техногенного сырья. Использование подземного выработанного пространства весьма перспективно для складирования отходов. Преимущество данного способа складирования заключается в уменьшении занимаемых площадей под отвалы на дневной поверхности, в снижении нагрузки на транспортную систему предприятия путем отказа от транспортирования пустой породы на-гора, в использовании отходов от проходки в качестве компонента закладочной смеси, а также в использовании выработанного пространства в качестве емкостей для складирования и утилизации отходов добычи.
Особенности технологических и конструктивных решений по утилизации отходов переработки руд в выработанном пространстве рудников
Применение закладки выработанного пространства при подземной добыче полезных ископаемых, как правило, вызывает необходимость строительства закладочных комплексов на поверхности, требующих значительных капитальных затрат. Кроме того, наличие стационарного закладочного комплекса вводит дополнительные ограничения в работу рудника. Закладочный комплекс - это самостоятельное производство в составе горнодобывающего предприятия со своими технологическими процессами. Нарушение работы комплекса влечет за собой остановку всей производственной линии по подготовке сырья, его транспортировке и закладки в подземные выработки. Так, на руднике "Северный" (ГМК «Норильский никель»), когда разрушился вал шестерни мельницы, измельчающий металлургический шлак, из технологической схемы выпала одна линия по производству закладочной смеси и производительность закладочного комплекса упала на 20 %, что повлекло за собой соответствующее снижение добычи руды [84].
Транспорт закладочной смеси – это достаточно сложный технологический процесс, связанный с энергоемким оборудованием, протяженностью закладочных трубопроводов, переходными сопротивлениями в запорной арматуре и пр. При транспортировании смеси, как и в любом другом технологическом процессе, возникает ряд трудностей. Чтобы смесь была транспортабельной, в нее, зачастую, вводят пластификаторы или дополнительное количество воды, что приводит либо к удорожанию закладки, либо к расслоению смеси во время транспортирования и, как следствие, к снижению прочности закладочного массива. Так, на руднике «Оутокумпу» (Финляндия) с переходом очистных работ на более глубокие горизонты, в результате введения в состав смеси излишнего количества воды в закладочную смесь, произошло обрушение боковых стенок закладочных массивов. Для устранения обрушений, было принято решение об увеличении расхода вяжущего, что привело к росту себестоимости добычи [84].
Кроме того, с увеличением глубины разработки на Гайском ГОКе и на рудниках ГМК «Норильский никель», при транспортировании смеси на глубокие горизонты возникали воздушные удары, приводящие к повреждению трубопроводов. Помимо вышеперечисленных проблем, при подаче закладочной смеси на большие глубины возникают ряд вопросов, связанных с: пусковыми и остановочными режимами подачи смеси; износом трубопроводов, ввиду высокой абразивности инертного заполнителя; необходимостью строительства подпорных пунктов для перемещения смеси по горизонтальным выработкам.
Так, на Бурибаевском ГОКе развитие горных работ привело к удалению места очистной выемки от закладочного комплекса на 2,5-3 км, что сделало невозможным применение системы с закладкой на данном руднике.
Для минимизации вышеперечисленных проблем перспективным направлением является максимальное использование подземного выработанного пространства для подготовки и дальнейшей эффективной утилизации техногенного сырья, представленного отходами добычи и переработки руд.
Необходимо отметить, что техногенное подземное пространство представляет самостоятельный георесурс, пригодный для многоцелевого использования. Известны многочисленные примеры эффективного и безопасного использования подземных горных выработок в качестве объектов социально-бытового назначения, хранилищ различного рода, научно-исследовательских лабораторий, обогатительных фабрик (опыт Чили) и др. [2,10]. На горнодобывающих предприятиях России накоплен опыт закладки горных выработок породой, отходами переработки руд и отходами металлургического производства, используемыми в составе закладочной смеси. Реже, сформированные техногенные полости используются в качестве функционального технологического пространства для реализации процессов переработки руд, строительства подземных атомных электростанций, объектов стратегического назначения.
Вместе с тем, в проектах горных предприятий не учитываются возможности энергосбережения и воспроизводства электроэнергии за счет использования энергетических ресурсов, формируемых в ходе разработки месторождения полезных ископаемых. Речь идет о потенциальных источниках энергии, которые не встречаются вне горнотехнических систем.
В ходе добычи и переработки руд перемещаются многомилионные объемы горной массы, жидкости, пульпы, обладающие потенциальной энергии в десятки мегаватт-часов в год. Поэтому, изыскание технологических решений по установке в подземных выработках малогабаритного, высокоэффективного оборудования, обеспечивающего подготовку сырья для последующего использования в закладочной смеси, является весьма актуальной задачей. Комплекс оборудования должен соответствовать следующим требованиям: обеспечивать необходимые прочностные и реологические свойства закладочной смеси, путем формирования заданного гранулометрического и вещественного состава, высокую производительность, быть мобильным и малогабаритным.
По мимо отходов добычи при переработке горной массы образуется огромное количество жидких отходов переработки. Несмотря на постоянное развитие технологических процессов, большинство предприятий так и продолжают складировать жидкие, тонкодисперсные отходы обогатительного передела в хранилища, которые занимают огромные земельные площади.
Проблема размещения в выработанном пространстве недр тонкодисперсных отходов обогащения руд является весьма важной. Если отходы добычи руд складируются в отвалах, как правило, без предварительной подготовки, то отходы обогащения характеризуются измененными физико-механическими и физико-химическими свойствами перерабатываемого сырья, представленного агрессивной пульпой, насыщенной флотационными реагентами и имеющей рН среды 10-11, с процентным содержанием твердого в среднем 20 % с влажностью около 80 %. Традиционно, техногенные отходы обогащения медноколчеданных руд, имеющие 4 класс опасности, складируются без предварительной подготовки в хвостохранилища различного типа на специально отчуждаемых земельных площадях. С ужесточением экологических платежей за складирование отходов, в сумме составляющую до 15 % затрат на добычу и переработку руд, для предприятий особо актуальным стал вопрос размещения пород вскрыши, от проходки горных выработок, тонкодисперсных отходов переработки руд в выработанном пространстве недр [39]. Отходы переработки также могут размещаться как на поверхности, так и в недрах Земли. Технология размещения текущих хвостов переработки без предварительной подготовки в емкость хвостохранилища, расположенного в непосредственной расчетной близости от обогатительной фабрики (ОФ) и карьера, достаточно отработана и имеются апробированные многолетним опытом решения по формированию и эксплуатации хвостохранилищ различного типа. Такая технология позволяет обеспечить отстой технологических вод и их возврат в оборотную сеть водоснабжения обогатительной фабрики.
Оценка негативных факторов размещения обводненных хвостов на поверхности объясняется тем, что организация хвостового хозяйства на горнодобывающих предприятиях связана со значительными затратами на постоянное наращивание дамб хвостохранилищ. Кроме того, поверхностное складирование огромных объемов агрессивного техногенного сырья, содержащего тяжелые металлы, влечет уничтожение естественной природной среды региона, как на отчужденной под хвостохранилище территории, так и на прилегающем почвенном покрове и в водных системах. Весьма высоко негативное влияние таких образований на экологическую обстановку урбанизированных районов и здоровье населения. Значительна вероятность возникновения нестабильной гидротехнической ситуации в регионе добычи и угрозы прорыва дамб. Оценить весь масштаб воздействия весьма сложно. Существующие методики нормирования допустимых концентраций загрязняющих веществ в сбросах и выбросах хвостохранилищ не учитываю всех совокупных факторов, влияющих на условия жизнедеятельности в регионах добычи и переработки минерального сырья.
Экспериментальное исследование влияния конструктивных параметров вертикальных сгустителей на показатели сгущения
Анализ мирового опыта процессов сгущения тонкодисперсных материалов, представленный в предыдущих главах, указал на то, что для сгущения хвостов обогащения в подземных выработках рационально использовать вертикальные сгустители, способные осуществить процесс обезвоживания до 70% при сравнительно небольших габаритных размерах сгустителя. Однако, прецедентов по установке и эффективной работе вертикальных сгустителей в подземных выработках до настоящего времени не выявлено [68].
Вариант использования текущих хвостов обогащения в качестве инертного заполнителя для закладки подземного выработанного пространства является наиболее апробированным и актуальным, с точки зрения комплексного освоения месторождения. Данный факт предопределил необходимость выполнения теоретических и экспериментальных исследований в области определения параметров пластинчатого сгустителя, при которых будет обеспечиваться сгущение требуемых объемов текущих хвостов с минимальными затратами при обеспечении устойчивой и надежной работы технологической системы [82].
Зачастую горно-обогатительные предприятия одновременно ведут разработку нескольких месторождений полезных ископаемых. В этом случае наиболее целесообразным является распределение текущих хвостов обогащения между рудниками.
Рассмотрим данный вариант на примере Учалинского ГОКа. Учалинский ГОК ведет одновременно разработку Узельгинского, Молодежного, Западно-Озерного и Озерного месторождений. Кроме того, в стадии строительства находится рудник по подземной разработке Ново-Учалинского месторождения, выход на производственную мощность которого (3,0 млн.т/год) планируется в 2017г. Данное месторождение расположено в 3 км южнее Учалинской обогатительной фабрики. Узельгинское месторождение расположенного в 22 км южнее от обогатительной фабрики и имеет годовую производительность 2,5 млт.т/г. Озерное месторождение, расположено в 15 км южнее Учалинской обогатительной фабрики и имеет производительность 700 тыс.т/г. Разработка данных месторождений ведется системами с закладкой выработанного пространства, и на сегодняшний день перечисленные рудники остро испытывают нехватку инертного заполнителя. Именно с этих позиций целесообразно произвести замену инертного заполнителя сгущенными хвостами обогащения Учалинской ОФ, распределив потоки между Ново-Учалинским, Узельгинским и Озерным рудниками.
Объемы распределения текущих хвостов определим, исходя из требуемых производительностей закладочных комплексов предприятий при условии замены инертного заполнителя сгущенными хвостами до 68 % . В работе [55] проведены исследования по подбору составов на основе хвостов обогащения Учалинской ОФ. Основным критерием подбора была нормативная прочность составов, изменяющаяся от 1 до 5 МПа в возрасте 90 сут. В табл.-3.1 приведены расчетные значения производительности закладочных комплексов и объемов сгущенных хвостов обогащения, необходимые для обеспечения заданной производительности рудника и нормативной прочности смеси. Таблица 3.1. Объемы закладочной смеси и потребное количество хвостов обогащения
Рассмотрим методику расчета пластинчатого сгустителя, необходимого для сгущения 235 м3/ч (см. рис.3.1, участок1) текущих хвостов обогащения [35]. Определяющим условием рабочего процесса пластинчатого сгустителя является ламинарность и устойчивость потока гидросмеси в седиментационных каналах, что обеспечивается ограничением чисел Рейнольдса и Фруда, принимаемыми соответственно Re=400, Fr = —— 5-10"4 . Для такого режима средняя скорость
Расчеты конструктивных параметров показали, что конструкция вертикального сгустителя имеет размеры, соответствующие габаритам, существующих подземных горных выработок. Расчетные технологические параметры указывают на то, что разработанная конструкция обеспечивает сгущение требуемых объемов текущих хвостов при устойчивой и надежной работе технологической системы, но не удовлетворяет требованиям ГОСТ 2874-82 по содержанию твердых частиц в сливе, что составляет более 1 г/л.
Результаты теоретических расчетов (табл. 3,2, 3,3) показывают, что конструкция вертикального сгустителя обеспечивает высокий коэффициент сгущения, но в сливе отбитой технологической воды содержится повышенное количество твердых частиц, что негативно скажется на эксплуатацию водосборников главного водоотлива. Данный факт свидетельствует о необходимости оценки конструктивных особенностей вертикального сгустителя, влияющих на интенсивность процесса сгущения [69].
В лабораторных условиях нами была разработана конструкция вертикального шахтного сгустителя, представленная на рис.3.3.
При разработке устройства за основу был принят принцип тонкослойного сгущения с применением наклонных пластинах. Корпус сгустителя был максимально адаптирован для использования в подземных выработках. Разработанный сгуститель состоит из двух основных компонентов: верхнего модуля 1 (рис 3.3) с пластинами 2, наклоненными под углом 62 градуса, и нижнего конического пирамидального накопителя сгущенного продукта 3.
Для обоснования рациональных режимов работы сгустителя и разработки технологической схемы его функционирования, в лаборатории закладки кафедры ПРМПИ был смоделирован макет, имитирующий процесс работы вертикального шахтного сгустителя. На рис. 3.4 приведен общий вид лабораторной установки.
На первоначальном этапе лабораторного исследования работа сгустителя оценивалась при подаче текущих хвостов без изменения вещественного состава. В емкости 2 (рис. 3.4) осуществлялось приготовление исходного питания сгустителя путем доведения рассчитанного количества материала до 20-25 % твердого с использованием механического устройства для перемешивания смесей. Приготовленная пульпа подвергалась непрерывному перемешиванию для исключения процесса осаждения частиц и обеспечения представительности исходного питания.
Посредством центробежного насоса 1 (рис.3.4) осуществлялось непрерывное питание через карман 4, расположенный в центральной части верхнего модуля 1 и далее через питающие отверстия в камеру с наклонными пластинами, где происходил непосредственно процесс сгущения тонкодисперсных частиц.
Такой метод подачи питания обеспечивал равномерное распределение потока между всеми пластинами при минимальной турбулентности в точках входа. Твердая фаза осаждалась на поверхности наклонных пластин и затем разгружалась с них в накопитель сгущенного продукта, где происходило дальнейшее сгущение и уплотнение пульпы.
Однако, в ходе проведения опыта выяснилось, что негативным аспектом явилась очень низкая скорость осаждения мелкодисперсных частиц и весьма высокая (CW 15) загрязненность сливов (рис. 3.6). Эффективность разделения твердой и жидкой фаз оценивалась с помощью конуса мутности (CW), применяемого при имитации процесса сгущения и осветления, различных шламистых суспензий, а также для определения чистоты осветленного слоя шкала конуса мутности изменяется от 1 до 50 единиц (рис. 3.5).
Технико-экономическая оценка рекомендаций по утилизации отходов от проходки горных выработок для месторождений Учалинского ГОКа
На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований, представленных в предыдущих главах, показана необходимость и доказана реальная возможность утилизации отходов от ведения горных работ в подземном выработанном пространстве. Установлено, что при утилизации отходов горнодобывающее предприятие способно не только экономить энергетические ресурсы, но и воспроизводить электрическую энергию, обеспечивая повышение энергоэффективности добычных работ.
Следует отметить, что обоснование параметров энергоэффективных технологий и способов утилизации отходов при производстве горных работ необходимо осуществлять на начальных стадиях проектирования разработки рудных месторождений при комплексном освоении недр, а также при реконструкции рудников [66, 85]. Исходя из этого, проблема подбора технологии утилизации обуславливает необходимость разработки алгоритма, использование которого позволит осуществить обоснованный выбор технологических решений подготовки отходов к последующей утилизации.
На основе оценки эффективности того или иного способа утилизации отходов и их взаимоувязки с технологическими процессами добычи руды, а также с учетом отдаленности обогатительной фабрики от подземного рудника, наличия закладочного комплекса и обеспечение его инертным материалом необходимо выбрать предпочтительное технологическое решение по подготовке отходов к последующей утилизации.
Перечисленные факторы оказывают ключевое влияние на параметры технологии утилизации отходов добычи и переработки руд. Определение параметров сбалансированной энергоэффективной технологии утилизации отходов добычи и переработки руд является исключительно важной геотехнологической задачей, как при изменении традиционной схемы утилизации отходов действующего горно-обогатительного производства, так и проектировании новых энергоэффективных предприятий в экологически сбалансированном цикле освоения месторождений твердых полезных ископаемых.
Основным принципом энергоэффективной экологически сбалансированной технологии является полный отказ от складирования отходов на дневной поверхности и вовлечение их в процесс закладки выработанного пространства при условии минимизации энергетических затрат на ее реализацию. Поэтому для более детальной проработки технологических решений по утилизации отходов горно-перерабатывающего производства, в настоящей работе отходы рассматриваются в соответствии со следующими направлениями их образования: отходы переработки руд, отходы от проходки горных выработок и отсев радиометрической сепарации.
Одним из определяющих факторов при утилизации отходов переработки руд в выработанном пространстве является отдаленность обогатительной фабрики от подземного рудника, определяющий необходимую степень обводненности хвостов. Исходя из анализа технических характеристик перекачивающих насосов и опыта их применения, установлено, что при дальности транспортирования более 1500 м, целесообразно осуществить первую стадию обезвоживания на обогатительной фабрике, а для транспортирования сгущенных хвостов применять поршневые насосы [49].
Следовательно, увеличение отдаленности подземного рудника от обогатительного передела предопределяет необходимость использования гидравлического транспорта текущих хвостов в исходном виде с применением специальных центробежных насосов по опыту одной из обогатительных фабрик Казахстана.
При закладке выработанного пространства подземного рудника твердеющей или пастовой закладкой на основе сгущённых хвостов обогащения возникает необходимость определения наиболее эффективного места размещения узла сгущения. Для этого может быть использован показатель, определяющий способность самотечного транспорта доставлять закладочную смесь до места ведения закладочных работ, под которым в работе рассматривается коэффициент обслуживания закладочных горизонтов самотечным транспортом и обозначен кв, определяемый как отношение требуемой (фактической) площади обеспечения закладочной смесью самотечным транспортом к расчетной площади обеспечения закладочной смесью самотечным транспортом.
В связи с этим возникает необходимость определения условий и значений коэффициента кв, обуславливающих выбор варианта наземного или подземного размещения сгустительного комплекса при обеспечении наибольшей эффективности.
По данным, приведенным в источнике [87, 89, 88], закладочные смеси в выработанное пространство шахтных полей доставляют преимущественно самотеком, а предельная длинна горизонтального самотечного участка Lmax (м) определяется по выражению:
Исходя из представленного в первых главах диссертации, данных для условий на медно-колчеданных месторождений отдаленность фронта ведения закладочных работ значительно выходит за пределы возможности применения самотечного транспорта закладочной смеси. Для обеспечения отдаленных участков закладкой предприятия вынуждены строить дополнительные насосные станции или использовать специальное самоходное оборудование, что существенно увеличивает стоимость ведения закладочных работ.
В связи с этим, для определения эффективного места расположения комплекса сгущения текущих хвостов обогащения для обоснования параметров необходимо количественно определить показатель - кв 5 определяющий рациональное место размещения узла сгущения.
Таким образом, если отношение кв 1, то целесообразно применение вертикальных сгустителей на поверхности с целью сгущения текущих хвостов для осуществления закладки выработанного пространства, при условии, что срок отработки месторождения будет больше срока амортизации поверхностного комплекса сгущения, либо кратный ему. При кв 1 размещение узла сгущения текущих хвостов на поверхности не является оптимальным, так как транспортирование сгущенной пульпы в самотечном режиме не обеспечит ее доставку до места ведения закладочных работ. Наиболее эффективным способом в данном случае будет доставка текущих хвостов до места ведения закладочных работ с применением предложенного в диссертации вертикального сгустителя пластинчатого типа.
В свете устойчивой тенденции развития энергоэффективных технологий, при гидротранспортировании текущих хвостов, необходимо принять во внимание возможность рекуперации кинетической энергии вертикального столба пульпы в электрическую по способу, описанному в предыдущей главе.