Введение к работе
Актуальность работы. Длительный период эксплуатации месторождений Стрельцовского рудного поля (СРП) значительно повлиял на структуру минерально-сырьевой базы основного уранодобывающего предприятия России ПАО «ППГХО». В настоящее время отмечается устойчивая тенденция снижения содержания урана в отрабатываемых залежах в связи с истощением запасов богатых руд. Кроме того, эта тенденция усиливается тем, что значительная часть урановых руд, расположенная в мощных рудных телах СРП, отработана. Добыча природного урана осуществляется из маломощных жил (до 5,0 м), преимущественно крутопадающих с низким содержанием металла, доля которых в общем объеме выемки составляет около 70 %. Для данного типа рудных залежей характерны весьма сложные структура и морфология, неравномерность рудных контуров, изменчивая мощность, тектоническая нарушенность и неоднородность горных пород. Отработка урановых жил в таких условиях по существующей технологии добычи и переработки (система разработки с нисходящей слоевой выемкой и закладкой выработанного пространства твердеющей смесью) становится нерентабельной из-за большого объема подготовительно-нарезных и закладочных работ. Для обеспечения заданного объема добычи природного урана и сохранения стабильной работы ПАО «ППГХО» необходимо вовлечение в эксплуатацию участков с бедными урановыми рудами на основе разработки комплексной (физико-технической и физико-химической) геотехнологии.
На современном этапе рентабельная отработка крутопадающих жил с низким содержанием урана на базе комплексирования технологических решений на всех этапах подземных процессов представляет собой актуальную научно-техническую задачу, решение которой позволит повысить технико-экономические показатели добычи и переработки.
Диссертация выполнена в ходе реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства «Создание комплексной технологии отработки беднобалансового уранового сырья геотехнологическими методами» при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (договор № 02.G25.31.0013), а также в рамках инициативной научно-исследовательской работы «Повышение эффективности подземной технологии разработки бедных руд в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях» (№ государственной регистрации 01201278960).
Степень научной разработанности. Значительный вклад в становление и развитие подземных геотехнологий при разработке у рановых месторождений внесли академики РАН Лаверов Н.П., Трубецкой К.Н.; чл.-корр. РАН Каплунов Д.Р.; доктора технических наук и профессора Абрамов В.Ф., Аренс В.Ж., Голик В.А., Кузьмин Е.В, Лизункин В.М., Литвиненко В.Г., Лобанов Д.П., Ломоносов Г.Г., Мокроусов В.А., Мосинец В.Н., Овсейчук В.А., Пирогов Г.Г., Ревнивцев В.И., Седельникова Г.В., Тедеев М.Н., Фазлуллин М.И. и другие российские ученые. Ведущими институтами в области разработки технологий подземного выщелачивания урана являются Иргиредмет, ВНИИХТ, ВНИПИпромтехнологии, ЦНИЛ ПАО «ППГХО», МГРИ-РГГРУ, ЦНИГРИ, ЗабГУ и др.
Несмотря на большой объем исследований в этой области вопросы повышения рентабельности добычи и переработки бедных урановых руд из маломощных рудных тел проработаны недостаточно. Грядущее снижение запасов урановых руд с высоким содержанием урана, а также специфика горно-геологических и горнотехнических особенностей урановых месторождений СРП обуславливает необходимость максимально возможного перехода на более экономичные и высокопроизводительные камерные системы разработки с последующей переработкой добываемых руд непосредственно в подземных условиях с использованием сортировки руды и выщелачивания в камерах, образованных при первичной выемке запасов.
Целью диссертационной работы является обоснование эффективной технологии отработки урановых руд из крутопадающих жил с низким содержанием металла, которая позволит вовлечь в рентабельную отработку эти запасы.
Идея работы заключается в использовании установленных закономерностей изменения характеристик подземных процессов управления горным давлением, рудосортировки и выщелачивания при обосновании комплексной технологии добычи и переработки урановых руд из крутопадающих жил.
Задачи исследований:
обосновать принципиальную технологическую схему добычи и переработки урановых руд в подземных условиях на основе трансформации выработанного пространства очистных блоков в подземную технологическую камеру выщелачивания;
определить особенности изменения первоначального природного поля напряжений в зависимости от глубины разработки и обосновать устойчивые конструктивные параметры элементов камерных систем разработки для различных горно-геологических условий;
установить зависимости, позволяющие обосновать принципы формирования технологических сортов от содержания урана и размера куска сортируемой руды;
установить зависимости извлечения урана в раствор при блочном подземном выщелачивании (БПВ) руд, выделенных методом подземной рентгенорадио-метрической сепарации (РРС), от содержания урана, крупности куска выщелачиваемой руды, концентрации выщелачивающего реагента, интенсивности орошения рудной массы, рациональной технологической схемы орошения руд.
Научная новизна исследований:
-
Установлены закономерности изменения первоначальных природных и техногенных напряжений горного массива Стрельцовского и Мало-Тулукуев-ского месторождений для различных глубин и обоснованы устойчивые параметры конструктивных элементов камерной системы разработки для различных горно-геологических условий.
-
Выявлены зависимости извлечения урана в рудный концентрат, выхода концентрата и хвостов сортировки при рентгенорадиометрической сепарации отбитой руды от размера сортируемого куска и содержания урана в нем.
3. Получены зависимости извлечения урана в продуктивный раствор при БПВ отсортированной руды от содержания в ней урана, крупности куска, концентрации выщелачивающего реагента, интенсивности и технологической схемы орошения рудной массы.
Теоретическая и практическая значимость работы:
установлены геомеханические связи величины природных напряжений от глубины разработки, позволяющие определять устойчивые параметры камерных систем разработки с открытым выработанным пространством для различных горно-геологических условий;
получены зависимости извлечения урана в концентрат, выхода концентрата хвостов сортировки при рентгенорадиометрической сепарации от крупности сортируемого куска руды и содержания урана в нем, что позволяет прогнозировать сортовой состав промпродукта для его дальнейшей переработки методом блочного подземного выщелачивания или гидрометаллургией;
- выявлены технологические зависимости извлечения урана в продуктив
ный раствор при блочном подземном выщелачивании от содержания урана в от
сортированной руде и крупности ее куска, концентрации выщелачивающего ре
агента, интенсивности и технологической схемы орошения рудной массы;
- разработана эффективная комплексная технология отработки маломощ
ных урановых тел на основе внедрения предложенного геотехнологического
комплекса с единым технологическим циклом, включающим добычу руды, под
земную рудосортировку и блочное подземное выщелачивание в специально до-
подготовленных камерах;
Методология и методы исследований. В работе осуществлено обобщение и анализ научно-технической и специальной литературы; проведены аналитические исследования при оптимизации параметров комплексной технологии; теоретические, экспериментальные исследования в натурных условиях; математическое моделирование напряженно-деформированного состояния массива горных пород и конструктивных элементов системы разработки; обработка результатов измерений методом математической статистики; технико-экономические расчеты предлагаемой комплексной геотехнологии.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Рентабельная отработка бедных урановых руд из крутопадающих жил, достигается подземной рудосортировкой и выщелачиванием отсортированной руды в выработанном пространстве – камерах, образованных при первичной отработке запасов системой «Подэтажные штреки» с устойчивыми параметрами ее конструктивных элементов для различных горно-геологических условий, выявленных с учетом закономерностей изменения первоначальных природных и техногенных напряжений горного массива.
-
Эффективность подземной рентгенорадиометрической сортировки бедных урановых руд, добытых системой разработки «Подэтажные штреки», достигается за счет разделения на технологические сорта по содержанию урана с учетом выявленных зависимостей выхода концентрата и хвостов сортировки от крупности сортируемого куска.
3. Повышение извлечения урана в продуктивный раствор при подземном выщелачивании отсортированных скальных руд обеспечивается за счет формирования оптимального содержания урана в выщелачиваемой руде, крупности куска руды, концентрации выщелачивающего раствора, интенсивности орошения рудной массы и рациональной схемой орошения руд в подземной технологической камере.
Достоверность научных выводов, положений и результатов обеспечена представительным объемом испытаний и экспериментов, сходимостью результатов теоретических и лабораторных исследований с данными производственных экспериментов, опытно-промышленными испытаниями технологических схем ведения предконцентрации добытых скальных урановых руд, результатами лабораторных и опытно-промышленных испытаний по выщелачиванию урановых руд.
Реализация результатов работы. Результаты выполненных исследований использованы для разработки технико-экономического обоснования по технической модернизации работы ПАО «ППГХО» на 2015-2020 гг., а также внедрены в учебный процесс при подготовке специалистов по направлению 21.05.04 «Горное дело» при чтении лекций по дисциплинам: «Проектирование рудников», «Геомеханика», «Физико-химическая геотехнология», «Управление качеством руд при добыче», «Особенности разработки урановых месторождений» в ФГБОУ ВО «Забайкальский государственный университет».
Апробация полученных результатов. Основные результаты и отдельные положения диссертационной работы докладывались на VIII Международной научной школе молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (г. Москва, ИПКОН РАН, 2011 г.); на Международных научно-практических конференциях «Кулагинские чтения» (г. Чита, ЗабГУ, 2010, 2011, 2013, 2014 гг.); Международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, МИСиС, 2014-2017 гг.); Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Геомеханика в горном деле» (г. Екатеринбург, ИГД УрО РАН, 2014 г.); VI научно-практической конференции «Игошинские чтения» (Иркутск, ИРНИТУ, 2016 г.); VIII Международной научно-технической конференции «Инновационные направления в проектировании горнодобывающих предприятий: Геомеханическое обеспечение проектирования и сопровождения горных работ» (г. Санкт-Петербург, СПГУ, 2017 г.).
Личный вклад автора состоит в анализе и обобщении опыта отработки бедных урановых руд физико-технической и физико-химической геотехнологиями; постановке и проведении натурных, лабораторных исследований и опытно-промышленных испытаний; обработке и анализе полученных результатов; установлении закономерностей и зависимостей изучаемых процессов; разработке комплексной технологии добычи и переработки бедных урановых руд из крутопадающих жил; проведении сравнительной технико-экономической оценке предложенной технологии.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 16 печатных работ, в том числе 9 научных статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, из них 2 - в базе цитирования Scopus.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 157 страницы печатного текста, в том числе 49 рисунков, 41 таблицу, библиографический список из 65 наименований, 3 приложения.
Во введении обоснована актуальность выполненной работы, определены цель и задачи исследования. В первой главе дан анализ горно-геологических условий месторождений СРП, сырьевой базы ПАО «ППГХО» и применяемой технологии добычи урановых руд; обоснованы задачи исследований. Вторая глава посвящена разработке подземной технологии подготовки и добычи бедных урановых руд, совмещающей физико-техническую и физико-химическую геотехнологии. В третьей главе изложены исследования процесса рентгенора-диометрической сортировки, выпущенной из камер горнорудной массы с выделением из нее технологических сортов. Четвертая глава посвящена повышению извлечения урана в продуктивный раствор при подземном выщелачивании скальных руд. В пятой главе рассмотрены вопросы оценки технологий добычи, предварительного обогащения скальных урановых руд с разделением на технологические сорта. В заключении обобщены результаты проведенных исследований, полученные в соответствии с поставленными задачами.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д ок-тору технических наук, профессору В.М. Лизункину за поддержку при написании диссертации и помощь в определении общей идеи работы; искренне благодарит доктора технических наук, профессора В.А. Овсейчука, кандидатов технических наук А.А. Морозова, М.В. Лизункина, преподавателей кафедры ПРМПИ ЗабГУ, специалистов ПАО «ППГХО» за помощь в проведении лабораторных исследований и опытно-промышленных испытаний; докторов технических наук, профессоров П.Б. Авдеева, Е.Т. Воронова, Ю.М. Овешникова за научные консультации и полезные замечания в процессе выполнения работы.