Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из важнейших проблем в деле обеспечения дальнейшего развития горнорудного производства является повышение эффективности подземной разработки рудных месторождений и снижение техногенной нагрузки на природную среду.
Особенность подземных работ состоит в постоянном возрастании глубины разработок. Рудники Урала, КМА, Горной Шории, Забайкалья в настоящее время осуществляют добычу руд на глубинах 700 …1000 м, Норильские - свыше 1000 м. Понижение горных работ сопровождается ростом затрат на очистную выемку руд и проходку выработок в условиях повышенного горного давления, подъем руды, вентиляцию, шахтный водоотлив, что усугубляется низким качеством добываемых руд, недостаточным техническим оснащением рудников, сложным финансово-экономическим положением в рыночных условиях хозяйствования.
Применяемые в настоящее время производительные системы разработки с открытым выработанным пространством характеризуются большими потерями руды, достигающими в целом по блоку 15…18%, и разубоживанием, особенно при отработке сложноструктурных рудных тел. В то же время, системы разработки с закладкой, обеспечивающие высокие показатели извлечения, обусловливают значительные затраты на очистные работы.
Снижение качества природной среды вызывается складированием и хранением на земной поверхности хвостов обогащения, содержащих вредные и токсичные вещества. Хвостохранилища являются постоянно действующими опасными источниками длительного загрязнения природной среды. В Забайкальском крае общая масса хвостов составляет 170 млн. т, размещенных на площади в 1283 га. Общая пылящая поверхность осушенных хвостохранилищ составляет 6,5х105 м 2, что приводит к дефляции хвостов и разносу пыли на большие площади.
В. В. Путин на Совете безопасности 30.01.2008 г. назвал как весьма актуальную проблему загрязнения природной среды: темпы роста накопления токсичных веществ в природной среде составляют 15-16% в год, что является угрожающим для национальной безопасности страны.
Перспективным направлением повышения эффективности разработки месторождений, существенного снижения накопления вредных и токсичных веществ на земной поверхности установлено использование подземных горно-обогатительных комплексов, позволяющих совместить добычу и обогащение руд в подземном пространстве. Подземные обогатительные фабрики эксплуатируются на зарубежных рудниках Сонро (Канада; 1,35 тыс. т руды / сутки; дробление, измельчение, флотация в двух подземных камерах размерами 46х9,2х6,6 м и 70х12,2х6 м), Мадригал (Перу), Салафасса (Италия). Известна подземная обогатительная фабрика Андина (Чили) с производственной мощностью 3 млн. т в год. В России выполнены проектные работы для освоения ряда рудных объектов на базе подземных горно-обогатительных комплексов (ПГОК).
Выполненный анализ мировой горнорудной практики позволяет сделать вывод: реализация перспективного направления сдерживается отсутствием соответствующей технологии разработки с закладкой выработанного пространства хвостами подземного обогатительного комплекса, недостаточной разработанностью научно-методических основ освоения рудных месторождений на базе использования подземных горно-обогатительных комплексов, что представляет собой крупную актуальную проблему, имеющую важное хозяйственное и социальное значение.
Значительная часть запасов руд черных и цветных металлов размещена в крутопадающих месторождениях, среди которых низкими показателями извлечения характеризуется разработка сложноструктурных.
Цель работы состоит в научном обосновании и создании эффективной технологии разработки сложноструктурных крутопадающих рудных месторождений на базе использования подземных горно-обогатительных комплексов и развитии научно-методических основ добычи и обогащения руд в подземном пространстве, позволяющих повысить количество и качество извлечения руд, существенно снизить техногенную нагрузку на природную среду.
Идея работы – поставленная цель достигается технологией разработки сплошной слоевой выемкой наклонных прирезок с комбинированной закладкой выработанного пространства на основе хвостов подземного обогатительного комплекса, рациональными технологическими схемами и параметрами разработки.
Объект исследований - разработка сложноструктурных рудных (преимущественно крутопадающих) мощных и средней мощности месторождений.
Предмет исследований - горнотехническая система, включающая подземный рудник и подземный обогатительный комплекс, с технологией, обеспечивающей эффективную выемку руд и сохранение качественного состояния природной среды.
Основные задачи исследований:
1. Оценка современного состояния изученности проблемы, выполнение анализа основных особенностей природных, социально-экономических условий подземной разработки рудных месторождений, разработка и научное обоснование технологии, классификация систем разработки и технологических схем очистной выемки руд с закладкой выработанных пространств на основе хвостов подземных обогатительных комплексов.
2. Обоснование научно-методических положений полного размещения хвостов подземного обогатительного комплекса, рациональную закладочную смесь, установление параметров очистных блоков и выполнение технико-экономического сравнения технологий, предлагаемой и на базе производительных систем разработки с открытым выработанным пространством.
3. Обоснование принципов, научно-методических положений вскрытия рудных месторождений в новой горнотехнической системе и формирования транспортно-вентиляционных систем подземных обогатительных комплексов.
4. Обоснование структуры и состава подземного горно-обогатительного комплекса, структуры его управления, разработка научно-методических положений, расчетных методов выбора рационального места размещения обогатительного комплекса в подземном пространстве.
5. Обоснование и разработка принципиальной технологической схемы освоения рудных месторождений более высокого уровня промышленной и экологической безопасности на базе использования подземных горно-обогатительных комплексов, критерия дисконтированной экономико-экологической оценки эффективности подземных горно-обогатительных комплексов для установления рациональных областей их использования.
Методы исследований: поставленные задачи решены с применением комплекса современных методов, включающего анализ теории и практики разработки месторождений традиционным способом с расположением обогатительных фабрик и хвостохранилищ на земной поверхности и на базе подземных горно-обогатительных комплексов; теоретические исследования и классификация; аналитический, технико-экономический и экологический анализ технологий очистной выемки, управления горным давлением, размещения обогатительных комплексов в подземном пространстве; моделирование напряженно-деформированного состояния пород вокруг технологических камер обогатительного комплекса.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на использовании достоверных геологических материалов, сходимости результатов экономико-экологического сравнения предложенной технологической схемы освоения Ново-Широкинского золото-полиметаллического месторождения на базе использования подземного горно-обогатительного комплекса и проектной, внедрении рекомендаций в горное производство, на полученном патенте на способ разработки сложноструктурных мощных и средней мощности крутопадающих рудных месторождений и решении РОСПАТЕНТА о выдаче патента на заявленное изобретение по способу разработки рудных месторождений с применением подземных обогатительных комплексов.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Технологией разработки сложноструктурных крутопадающих рудных месторождений сплошной слоевой выемкой наклонных или вертикальных прирезок с комбинированной закладкой выработанного пространства с использованием хвостов подземного обогатительного комплекса достигается повышение эффективности разработки, рациональное складирование хвостов комплекса, снижение накопления вредных и токсичных веществ на земной поверхности
2. Построение технологической схемы освоения крутопадающего рудного месторождения, формирующей новую горнотехническую систему более высокого уровня промышленной и экологической безопасности, базируется на взаимосвязях подземного рудника и подземного обогатительного комплекса.
3. Безопасное и эффективное обогащение руд в подземном пространстве достигается на основе реализации комплекса обоснованных принципов, научно-методических положений и расчетных методов выбора рационального места размещения обогатительного комплекса и формирования его транспортно-вентиляционной системы.
4. Обоснованным и разработанным критерием дисконтированной экономико-экологической оценки устанавливаются рациональные области эффективного использования подземных горно-обогатительных комплексов.
Научная новизна работы:
1. Предложенный способ разработки рудных месторождений (РЕШЕНИЕ РОСПАТЕНТА о выдаче патента на изобретение по заявке (21) № 2007111109/03(012066)), включающий добычу и обогащение руд в едином подземном пространстве, положен в основу технологии освоения крутопадающих рудных месторождений с закладкой выработанного пространства на базе использования подземных горно-обогатительных комплексов.
2. Предложенным способом разработки сложноструктурных мощных и средней мощности крутопадающих рудных месторождений сплошной слоевой выемкой наклонных прирезок с закладкой выработанного пространства с искусственной потолочиной (Патент РФ на изобретение № 2327038) достигается повышение эффективности разработки месторождений.
3. Предложена принципиальная технологическая схема новой горнотехнической системы освоения крутопадающего рудного месторождения, основанная на взаимосвязях подземного рудника и подземного обогатительного комплекса, позволяющая повысить полноту извлечения руд и сохранять качественное состояние природной среды в районе производственной деятельности горного предприятия.
4. Установленные закономерности изменения комплексных затрат, связанных с размещением обогатительного комплекса в подземном пространстве, по глубине от земной поверхности, длине по простиранию и вкрест простирания месторождения, положены в основу методики выбора места размещения при разработке крутопадающих и слабонаклонных (пологих) месторождений, реализованной при определении рациональных параметров комплекса применительно к условиям Ново-Широкинского золото-полиметаллического месторождения.
5. Для практической реализации в проектировании технологии закладочных работ предложена ресурсосберегающая конструкция комбинированной закладки выработанного пространства, включающая бесцементную гранулированную закладку на основе хвостов подземного обогатительного комплекса и бетонную удерживающую стенку, толщина которой определяется по установленным зависимостям от угла падения рудного тела при заданных ширине очистного слоя и прочности стенки.
6. Впервые обоснованы принципы полного размещения хвостов подземного обогатительного комплекса с промежуточным складированием в накопительных камерах; установленные зависимости загрузки и разгрузки накопительных камер, положены в основу доказательства целесообразности слоевой очистной выемки.
Практическое значение работы состоит в следующем:
1. Реализована в проекте технология бесцеликовой селективной очистной выемки сложноструктурных крутопадающих рудных тел.
2. Разработана методика выбора места размещения обогатительного комплекса в подземном пространстве, включающая этапы оптимизации и корректировки по геомеханическим условиям горного массива.
3. Предложена двухярусная схема вентиляции технологических камер, обеспечивающая обособленный отвод загрязненного воздуха.
4. Предложен мониторинг подземного горно-обогатительного комплекса, реализация которого обеспечивает сохранение качества природной среды.
5. Предложенные классификации технологических схем очистной выемки руд, систем разработки с закладкой выработанного пространства на основе хвостов обогащения, систем разработки по техногенным воздействиям на природную среду предназначены для выбора рациональной технологической схемы очистной выемки.
6. Размещение хвостов в подземном пространстве существенно уменьшает количество вредных и токсичных веществ, накапливаемых на земной поверхности.
Личный вклад автора заключается в следующем:
Выполнен анализ теории и практики освоения рудных месторождений в России и за рубежом, состояния окружающей среды; выявлена система факторов, влияющих на эффективность горного производства; разработаны и обоснованы технология и технологическая схема освоения сложноструктурных крутопадающих мощных и средней мощности рудных месторождений сплошной слоевой выемкой наклонных (вертикальных) прирезок с комбинированной закладкой выработанных пространств на базе использования ПГОК, классификации технологических схем очистной выемки и систем разработки с закладкой на основе хвостов обогащения; разработан комплекс научно-методических положений, принципов, расчетных методов и методика выбора места размещения обогатительных комплексов в подземном пространстве и формирования транспортно-вентиляционных систем; обоснованы принципы промышленной и экологической безопасности и мониторинг природной среды при освоении рудных месторождений ПГОК, предложена классификация систем разработки по техногенному воздействию на окружающую среду; разработана методика сравнительной дисконтированной оценки экономической эффективности ПГОК.
Реализация результатов работы. Разработанная и обоснованная система разработки крутопадающих мощных и средней мощности сложноструктурных рудных тел сплошной слоевой выемкой наклонных прирезок с закладкой выработанного пространства принята к внедрению ЗАО «Многовершинное» (2007 г.) с годовым экономическим эффектом двенадцать млн. руб. и ОАО «Ново-Широкинский рудник» (2006 г.) с годовым объемом добычи 150 тыс. т и ожидаемым экономическим эффектом 14,6 млн. руб. На способ разработки сложноструктурных крутопадающих мощных и средней мощности рудных месторождений имеется Патент РФ на изобретение № 2327038.
Приняты к проектным работам АО «ЗабайкалцветметНИИпроект» методические рекомендации «Выбор рационального места размещения подземного обогатительного комплекса» (2002 г.), согласованные с Читинским округом Госгортехнадзора РФ.
Результаты исследований внедрены в учебный процесс.
Диссертационная работа содержит результаты исследований, выполненных автором по теме «Научные основы создания подземных обогатительно-добычных комплексов при разработке руд цветных металлов», регистрационный номер ЧитГТУ 15-96 г / б параграф 53, утвержденной Государственным Комитетом Российской Федерации по высшему образованию, № госрегистрации 019600040216.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на расширенных заседаниях кафедр разработки месторождений полезных ископаемых Санкт-Петербургского горного института им. Г.В. Плеханова (2007 г.), подземной разработки месторождений полезных ископаемых Иркутского и Дальневосточного государственных технических университетов (2003 г.), в Московском государственном горном университете на симпозиумах «Неделя горняка» (2005-2006 гг.), на Международной конференции «Экологически чистые технологические процессы в решении проблем охраны окружающей среды» (Иркутск, 1996 г.); Международной конференции «Забайкалье на пути к устойчивому развитию: экология, ресурсы, управление» (Чита, 1997 г.); Юбилейной международной конференции «Наука и образование на рубеже тысячелетий» (Чита, 1999 г.); 2-й Международной конференции «Забайкалье на пути к устойчивому развитию: экология, ресурсы, управление» (Чита, 2001 г.); Межрегиональной научно-технической конференции, посвященной 40-летию ЗабНИИ «Новый век – новые открытия» (2001 г.); в Читинском округе Госгортехнадзора РФ (2002 г.); научно-практическом семинаре «Добыча золота. Проблемы и перспективы» – Хабаровск, Администрация Хабаровского края, Хабаровский научный центр ДВО РАН, Институт горного дела ДВО РАН, 1997 г.; на Международном совещании «Экологические проблемы и новые технологии комплексной переработки минерального сырья». Плаксинские чтения (Чита, 2002 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 40 печатных работах автора, в том числе, монографии, учебном пособии; 14 работ опубликованы в рекомендованных ВАК РФ источниках. Получены один патент и одно решение на выдачу патента, три авторских свидетельства на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 237 наименований, 8 приложений, изложена на 262 страницах текста, содержит 37 таблиц, 49 рисунков.
Автор признателен д. т. н., проф. Г. В. Секисову и д.т.н., проф. М. В. Костромину за научные консультации, зав. кафедрой ПРМПИ ЧитГУ, д. т. н., проф. В. М. Лизункину за советы и поддержку. Особую благодарность автор выражает кафедрам РМПИ Санкт-Петербургского горного института, ПРМПИ Иркутского и Дальневосточного технических университетов за ценные замечания по результатам обсуждений.
