Введение к работе
Актуальность работы
Рациональное использование недр основывается на повышении эффективности комплексной добычи полезных компонентов сочетанием различных способов добычи и утилизации отходов горно-обогатительного производств. Обзор опыта комбинированной разработки месторождений и использования техногенного сырья свидетельствует, что при разработке только 15% рудных месторождений проектами предусмотрено какое-либо использование отходов добычи и переработки руд. При этом в стратегии развития региональной сырьевой базы утилизация техногенного сырья все более утверждается в качестве важного компонента минерально-сырьевого баланса и является неотъемлемой составляющей инновационных технологий приоритетного направления «Рациональное природопользование».
Комплексный подход к освоению недр и использованию техногенных георесурсов предполагает учет, при обосновании параметров комбинированной геотехнологии, перспективы целенаправленного формирования в выработанном пространстве карьеров и шахт из отходов добычи и переработки руд техногенных месторождений с заданными характеристиками структуры и вещественного состава для обеспечения возможности эффективной эксплуатации техногенного сырья в ближайшей, либо отдаленной перспективе.
Поэтому обоснование параметров комбинированной разработки медно-колчеданных руд с утилизации отходов их переработки в выработанном пространстве карьеров представляет весьма актуальную научно-практическую задачу.
Целью работы является повышение эффективности комплексного освоения месторождений медно-колчеданных руд на базе проектного обоснования параметров комбинированной геотехнологии с утилизацией отходов обогащения в выработанном пространстве карьеров.
Идея работы заключается в повышении эффективности освоения рудных месторождений комбинированной геотехнологией за счет учета при проектном обосновании предельной глубины карьера специфики и параметров технологии утилизации в его выработанном пространстве отходов обогащения руд с установленными характеристиками формируемого техногенного массива.
Задачи исследований:
- анализ и обобщение опыта и методик расчета параметров комбинированной геотехнологии с утилизацией техногенного сырья, исследование особенностей вещественного состава и структурных характеристик техногенных образований, сопутствующих разработке месторождений медно-колчеданных руд;
- факторный анализ инновационных технологий утилизации отходов в выработанном пространстве рудников и обоснование условий формирования техногенных массивов с локальным распределением качества сырья;
- исследование закономерностей формирования геометрических параметров техногенных образований в зависимости от физико-механических характеристик техногенного массива;
- учет перспективы складирования в карьер отходов переработки руд подземного рудника при обосновании рациональной глубины перехода с открытых горных работ к подземным;
- разработка методики обоснования параметров комбинированной геотехнологии с утилизацией в выработанном пространстве карьера техногенного сырья с различными характеристиками вещественного состава;
- разработка технологических рекомендаций по утилизации отходов обогащения руд в выработанном пространстве Учалинского карьера.
Для решения поставленных задач в качестве объекта исследований выбрана комбинированная геотехнология с утилизацией техногенного сырья в выработанном пространстве карьера (ВПК) при комплексном освоении медно-колчеданных месторождений.
Методы исследований
В работе использован комплексный метод исследований, включающий анализ вещественного состава и структурных характеристик отходов обогащения медно-колчеданных руд, физическое и экономико-математическое моделирование, статистическую обработку результатов исследований и технико-экономический анализ.
В качестве методологической основы исследований в работе заложен принцип комплексного освоения участка недр в полном геотехнологическом цикле, предусматривающем складирование отходов обогащения руд в выработанном пространстве карьера для обеспечения возможности последующего вовлечения техногенного сырья в эффективную промышленную эксплуатацию.
Положения, выносимые на защиту:
-
При комбинированной разработке рудных месторождений складирование в выработанном пространстве карьера отходов обогащения руд подземной добычи ведет к снижению проектной глубины карьера.
-
Для месторождений медно-колчеданных руд выдержанной мощности, отрабатываемых системой с твердеющей закладкой, учет перспективы складирования хвостов обогащения руд в ВПК уменьшает его глубину на малых месторождениях - на 90-110 м, средних – на 50-70м, крупных – на 20-30м при росте совокупного дохода от освоения месторождения на 12 – 20%.
-
Выбор направления использования техногенного сырья и технологий его подготовки к утилизации, транспортирования и складирования в выработанное пространство карьера зависит от стабильности, либо изменчивости вещественного состава отходов обогащения руд и их ресурсной ценности.
-
Утилизация хвостов обогащения в выработанном пространстве карьера эффективна при их обезвоживании до влажности менее 30% и селективном размещении сырья различного качества для использования, как в средней, так и в долгосрочной перспективе.
Научная новизна работы:
-
Классификация технологических схем утилизации отходов обогащения медно-колчеданных руд различного качества с учетом условий их локального размещения в выработанном пространстве рудников.
-
Закономерности формирования локальных сегментов техногенных образований из отходов обогащения руд различного качества и, с учетом этого, мест расположения прудков отстоя воды в ВПК.
-
Методика выбора параметров технологии утилизации отходов обогащения руд для формирования локальных участков техногенного образования с заданным качеством сырья, включающая графоаналитический метод расчета объемов и количества районированных участков техногенного сырья различного качества, учитывающая результаты экспериментальных исследований параметров техногенного массива в выработанном пространстве карьера.
-
Методика обоснования параметров комбинированной открыто-подземной геотехнологии разработки крутопадающих медно-колчеданных месторождений выдержанной мощности, базирующаяся на определении рациональной глубины перехода от открытых горных работ к подземным с учетом перспектив утилизации хвостов обогащения руд в карьере.
Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечивается надежностью и представительностью исходных данных; адекватностью разработанной имитационной модели условиям функционирования горнотехнических систем комплексного освоения рудных месторождений комбинированными геотехнологиями; использованием современного оборудования и апробированных методик и подтверждается сопоставимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, обработанных методами математической статистики.
Практическая значимость работы состоит в разработке и обосновании параметров технологии утилизации техногенного сырья различного качества в локальных сегментах выработанного пространства Учалинского карьера, создании устройства для обезвоживания хвостовой пульпы в выработанном пространстве открытого или подземного рудника и разработке рекомендаций по формированию гидроизолирующих перемычек с применением передвижного закладочного комплекса. Внедрение разработанных рекомендаций обеспечивает повышение эффективности комбинированной разработки рудных месторождений.
Реализация работы. Результаты работы использованы при выполнении государственного контракта с Минобрнауки РФ № 16.525.12.5001. Результаты исследований используются при чтении курсов «Комплексное освоение недр», «Комплексное освоение рудных месторождений» и «Основы разработки техногенных образований» в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет», «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».
Личный вклад автора состоит в разработке методики экспериментальных исследований параметров комбинированной геотехнологии с утилизацией техногенного медно-колчеданного сырья на моделях из эквивалентных материалов и имитационных моделях; обработке результатов с установлением значимых закономерностей, параметров комбинированной разработки медно-колчеданных месторождений и технологии утилизации отходов обогащения руд; в разработке рекомендации по утилизации техногенного сырья в Учалинском карьере; технологии возведения изолирующих перемычек между выработанным пространством карьера, заполняемым пульпой, и выработками подземного рудника; усовершенствовании конструкции вакуум-фильтра для обезвоживания хвостовой пульпы перед складированием в карьер.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, подано 2 заявки на изобретение.
Апробация работы. Основные результаты, положения и выводы докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2012, 2013 гг.); VI Международной конференции «Комбинированная геотехнология: теория и практика реализации полного цикла комплексного освоения недр» (Магнитогорск, 2011 г.); 69, 70 научно-технических конференциях Магнитогорского государственного технического университета (2012, 2013 гг.); технических советах Учалинского ГОКа (Учалы, 2012, 2013 гг.), I Региональной конференции «Маркшейдерское и геологическое обеспечение горных работ» (Магнитогорск, 2013).
Объем и структура работы:
Диссертация представлена на 176 страницах, состоит из введения, 4 глав, заключения и содержит 71 рисунков, 20 таблиц, библиографический список из 104 наименований.
Автор выражает благодарность сотрудникам Отдела теории проектирования освоения недр ИПКОН РАН и кафедры ПРМПИ МГТУ им. Г.И. Носова за ценные советы и консультации при проведении экспериментальных исследований.
