Систематизация и структуризация технологических схем гидродобычи твердых полезных ископаемых

© М.В. Рыльникова, В.А. Юков, Ю.В. Корнеев, 2012

УЛК 622.2

М.В. Рыльникова, В.А. Юков, Ю.В. Корнеев

СИСТЕМАТИЗАЦИЯ И СТРУКТУРИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ГИДРОДОБЫЧИ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Представлена систематизация способов гидромеханизированной добычи твердых полезных ископаемых и оценка перспектив их применения в рамках горнотехнических систем комплексного освоения недр. Структуризация отдельных схем гидродобычи выполнена в согласии с модульным принципом проектирования. Ключевые слова: гидродобыча, СГД, гидромониторная разработка, земснарядная разработка, проектирование горнотехнических систем, модульное проектирование, комбинированная разработка, комплексное освоение недр.

Под гидромеханизированой добычей полезного ископаемого понимается такая технологическая схема, при которой разрушение породного массива и/или транспортировка горной массы производится с помощью энергии потока воды. Отделение породы от массива производится напорной струей гидромонитора с возможным дополнительным механическим, буровзрывным или физико-химическим рыхлением (разуплотнением) в затопленном или осушенном забое. Транспортирование получившейся гидросмеси осуществляется грунтовым насосом, эрлифтом или гидроэлеватором по пульпороводам до места обезвоживания и складирования (обогащения). Условиями эффективного применения схем гидродобычи являются: невысокая прочность разрабатываемых пород (глины, песчаники, пески, рыхлые руды), наличие достаточных источников воды и электроэнергии для работы оборудования, благоприятные климатические условия (отсутствие отрицательных температур).

Преимуществами гидромеханизированных способов добычи являются

низкая стоимость оборудования, его простота и малые размеры, безопасность ведения работ, отсутствие вредного воздействия на окружающую среду, снижение себестоимости добычи руды в 1,5—2 раза (по сравнению с физико-техническими способами), поточность технологии и высокая производительность труда рабочего. Среди недостатков гидродобычи следует отметить высокий износ оборудования для транспортирования пульпы абразивных пород, низкий кпд работы насосов при транспортировании гидросмеси на большие расстояния по горизонтали или вверх, ограниченные возможности для разработки плотных и скальных пород. Совершенствование добычного оборудования и накопление опыта разработки неизбежно приведет уже в ближайшем будущем к заметному росту доли гидромеханизированной добычи в общем объеме горных работ.

Несмотря на большое разнообразие схем применения гидромеханизированной разработки и широкий спектр технических параметров оборудования, особенностью современного состояния технологий является отсутст-

вие единой систематизации процессов гидродобычи в рамках горнотехнической системы комплексного освоения недр. В качестве классифицирующего признака предлагается принять тип применяемого оборудование и вид технологического пространства добычных работ. Обобщив мировой опыт гидромеханизации добычных работ, на основе описанного выше критерия способы гидродобычи полезных ископаемых систематизированы по следующему принципу (табл. 1):

• скважинная гидродобыча полезных ископаемых.

• открытая добыча полезных ископаемых гидромониторами с доставкой разрушенной горной массы в составе гидросмеси по пульпопроводу;

• подземная (шахтная) добыча полезных ископаемых гидромониторами и механогидравлическими комбайнами.

• добыча полезных ископаемых земснарядами из обводненных забоев;

Структуризация отдельных способов гидромеханизированной добычи производится в рамках модульного принципа проектирования горнотехнических систем, исследования, направленные на создание которого проводятся в ИПКОН РАН в рамках работ по госконтракту МТУ с Федеральным агентством по науке и инновациям «научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по программе «Разработка и промышленная реализация геотехнологических модулей комбинированной добычи полезного ископаемого и интенсивной, экологически безопасной эксплуатации осваиваемого участка недр». Суть развития проектирования горнотехнических систем по модульному принципу заключается в разработке типовых технологических и технических решений в виде законченных циклов технологических процессов или операций по осуществлению того

или иного этапа

— так называемых геотехнологических модулей, которые при соответствующей адаптации к конкретным условиям месторождений могут быть использованы при составлении различного рода проектов развития горных работ [1].

Геотехнологический модуль — это относительно самостоятельный и замкнутый элемент горнотехнической системы, который находится в непосредственной взаимосвязи с другими элементами (геотехнологическими модулями) системы и обладает всеми системными признаками. При необходимости он может быть изъят из горнотехнической системы, модернизирован, а в отдельных случаях исключен, либо заменен новым модулем, выполняющим аналогичные функции. В соответствии с заданными внешними и внутренними условиями геотехнологические модули описываются определенными входными и выходными параметрами, обеспечивающими их стыковку (связь) с другими модулями горнотехнической системы. Иерархическая структура определяет существование макромодулей, включающих в себя модули более низших порядков и элементарных модулей

— условно неделимых циклов технологических операций.

Использование модульного принципа повышает эффективность проектирования горных предприятий, обеспечивая возможность автоматизированного выбора оптимального по эколого-экономическим критериям варианта взаимоувязки различных технологий добычи полезного ископаемого в единой горнотехнической системе с последующей оценкой её рациональных параметров. Для адекватной оценки возможности применения той или иной технологической схемы гидромеханизированной добы-

Таблица 1

Систематизация способов гидромеханизированной аобычн твердых полезных ископаемых

Вариантгидродобычи Характеристика технологического пространства Тип добычного оборудования

1. Скважинная гидродобыча (СГД) Затопленная или незатопленная камера с доступом оборудования по скважине Скважинные гидромониторы с дистанционным управлением, эрлифты, землесосы или гидроэлеваторы

2. Гидромониторная разработка на открытых горных работах Уступ карьера высотой до 30м Гидромониторы слабого и среднего напора с большим расходом воды

3. Подземная гидромеханизированная добыча Подземные выработки, открытые или закрытые заходки Гидромониторы с сильным напором, механогидравлические комбайны

4. Земснарядная разработка Дно искусственных или естественных водоемов Механические или гидравлические рыхлители, погружные грунтовые насосы

чи полезных ископаемых в единой горнотехнической системе комбинированной геотехнологии, необходимо, чтобы структуризация технологических процессов этих схем отвечала требованиям модульного принципа проектирования. Рассмотрим особенности и область эффективного применения основных видов гидродобычи.

Технология скважинной добычи полезных ископаемых предполагает использование пробуренных с поверхности или из горных выработок скважин для вскрытия рудного тела, подачи воды для разрушения массива горных пород и выдачи горной массы. Разрушение горных пород ведется струей воды гидромонитора, расположенного в забое скважины, выдача пульпы происходит с помощью эрлифта, гидроэлеватора или землесоса по той же скважине или по дополнительной.

Скважинная гидродобыча (СГД) обычно применяется при разработке легкоразрушаемых пород неглубокого залегания. Как правило, это осадочные месторождения строительного и кварцевого песка, россыпные месторождения золота, алмазов, залежи сланцевых

или карбонатных пород, содержащие олово, титан, уран, а также мягкие фосфоритовые, бокситовые, марганцевые и окисленные железные руды, месторождения угля и битуминозных песчаников [4]. Однако отдельные технологии СГД позволяют разрабатывать породы на глубине более километра. В США технология СГД активно используется для интенсификации газоотдачи газоносных углей.

Основным энергоносителем при технологии скважинной гидродобычи является вода, поэтому условием эффективного функционирования предприятия является наличие достаточных объемов воды и электроэнергии для работы насосов.

Технические характеристики метода СГД: глубина разработки — от 15м до 1 км; диаметр скважины — 200-500 мм; рабочее давление струи на выходе из насадки — 7-20 МПа; расход воды — 150-300 м3/час; производительность скважины — 30-90 м3/час; соотношение Т/Ж в пульпе — 1/6-1/1; расстояние от гидромонитора до забоя — до 10 м; толщина разрабатываемого пласта — от 0,3 до 400 м.

Преимуществами скважинной гидродобычи являются безопасность горных работ, почти полное отсутствие вредного воздействия на окружающую среду и высокая производительность труда рабочего. Кроме того, геотехнологический модуль скважинной гидродобычи удобен для интегрирования в более сложную горнотехническую систему тем, что не требует больших капитальных вложений, сложного оборудования и строительства громоздких сооружений. Многообразие схем сква-жинной гидродобычи позволяет отрабатывать рудные тела различной мощности, угла падения и глубины залегания. Для доработки глубинных запасов бурение скважин может осуществляться как с поверхности, так и из карьера или подземных выработок. К недостаткам метода следует отнести большие потери полезного ископаемого в целиках. Этот недостаток преодолевается в ряде случаев использованием закладки отработанных камер.

Технология добычи руды скважин-ной гидродобычей может быть успешно применена в рамках горнотехнической системы полного цикла для доработки с поверхности и из подземных выработок прибортовых запасов карьера, отдельных рудных тел малого размера, стройматериалов, выклинивающихся за контур разработки частей рудного тела, запасов рыхлых окисленных руд.

Структура геотехнологического модуля СГД показана на рис. 1. Макромодуль СГД включает в себя модули вскрытия, эксплуатационных работ и поверхностного комплекса, имеющие свою собственную структуру. Так модуль эксплуатационных работ базируется на элементарных модулях подготовки массива, размыва, доставки пород к устью скважины и подъема на поверхность, управления горным давлением. При этом для каждого ие-

рархического уровня геотехнологических модулей сохраняется общий принцип цикличности, относительной самостоятельности, и направленности на выполнение, с одной стороны, конкретной функции, с другой — достижения общей цели функционирования горнотехнической системы. Для каждого модуля определена его целевая функция, входные и выходные параметры, внутренняя структура.

Основные направления совершенствования модуля скважинной гидродобычи: создание новых и модернизация известных конструкций гидромониторного оборудования, трубопроводов, повышение их износостойкости; увеличение напора гидромониторных струй, мощности насосного, компрессорного и землесосного оборудования; развитие методов предварительного разуплотнения массива; автоматизация работы насосных станций и компрессорных станций; механизация и автоматизация работ по перемещению трубопроводов; интенсификация процесса осветления воды, использованной для размыва и обогащения. Отдельно нужно отметить возможность полной автоматизации всех без исключения процессов скважинной гидродобычи.

Гидромониторный способ на открытых горных работах широко применяется для разработки вскрышных пород, россыпей, рыхлых руд и стройматериалов [3]. Кроме того, струей гидромонитора разрабатывают хвосты обогащения и отвалы бедных руд.

Разрушение рыхлых пород выполняется непосредственно струей воды без предварительного разупрочнения. Плотные породы перед разработкой рыхлят взрывным, механическим способами или предварительным гидронасыщением.

Рис. 1. Структура горнотехнической системы скважинной гидродобычи

Разработка пород ведется одним или несколькими гидромониторами, размывающими породу, при этом расположение гидромониторов, а также направление движения водяной струи и гидросмеси определяются параметрами забоя. Производительность гидромонитора на открытых горных работах по горной массе достигает 500 м3/ч, а давление струи на выходе из насадки не превышает 2 МПа. Среднемесячная производительность гидромонитора зависит от свойств пород и расхода воды и изменяется от 15 до 150 тыс. м3/мес.

Входными параметрами геотехнологического модуля гидромониторной разработки на открытых горных ра-

ботах являются свойства разрабатываемых пород, их объем и глубина залегания (высота отвала), климатические условия, выходными же — схема вскрытия, производительность гидроучастка горнотехнической системы, потери и разубоживание полезного ископаемого, потребность гидроучастка в водоснабжении, электроэнергии и материалах. При проектировании производится сравнение и выбор схемы вскрытия, системы разработки, типа забоя, вид применяемого оборудования, расчет схемы водоснабжения и других параметров.

Структура макромодуля гидромониторной разработки на открытых горных работах в целом аналогична

структуре макромодуля скважинной гидродобычи, отличаясь лишь способом управления горным давлением и необходимостью предварительного удаления пород вскрыши.

В замкнутом цикле единой горнотехнической системы комбинированной геотехнологии гидромониторная разработка может быть применена при производстве вскрышных работ на карьере, для создания малопроизводительного, но эффективного гидроучастка открытой добычи руд, для разработки или перевалки техногенных месторождений полезных ископаемых, таких как отвалы бедных руд или лежалые хвосты обогащения.

Подземная гидромеханизированная добыча полезных ископаемых применяется в настоящее время в основном на угольных шахтах, хотя есть единичные случаи применения подземной гидромониторной разработки для рыхлых железных руд. Для гидромониторной добычи угля подходят как крутые, так и пологие пласты практически любой крепости и мощности. Однако, при большей мощности технико-экономические показатели выше. Гидродобыча угля неприменима при неустойчивых породах кровли и пучащих и легкоразмывае-мых породах почвы. Включения пустых пород также снижают эффективность подземной гидродобычи [8].

Отбойка угля осуществляется либо струей гидромонитора, либо комбинацией механического и гидравлического воздействия на породу — меха-ногидравлическим комбайном. Производительность гидромониторов достигает 60 т/ч по углю, при расходе воды — до 500 м3/час и давлении струи на выходе из насадки 20 МПа [9]. Производительность комбайна по углю достигает 135 т/час, а расход воды — 120 м3/час.

Среди преимуществ гидромеханизации добычных работ в подземных усло-

виях следует отметить высокую безопасность, вследствие отсутствия людей в забое, и облегченную схему вентиляции из-за отсутствия необходимости удаления продуктов взрыва и пыли. Показатели извлечения полезного ископаемого из недр достигают 80 %, что во многих случаях больше, чем при использовании классических технологий добычи. Недостатком гидромониторной отбойки является большой процент потерь руды в целиках при использовании закрытых заходок. При проектировании следует учитывать, что транспортирование пульпы по капитальным и подготовительным выработкам на поверхность требует увеличенного сечения ствола и строительства горизонтальных выработок с углом наклона 35° в сторону рудного двора для обеспечения самотечного передвижения пульпы. При невозможности применения самотечного транспорта, например, при разработке горизонтальных пластов малой мощности, возможно применение напорного гидротранспорта по трубам или комбинации самотечного и напорного способов перемещения минеральной массы.

Входными параметрами геотехнологического модуля шахтной гидродобычи являются свойства разрабатываемых пород, условия залегания рудного тела, наличие ранее пройденных капитальных выработок других способов добычи, выходными же — производительность гидроучастка, объемы вскрышных и подготовительных работ, потребность участка гидродобычи в водоснабжении, электроэнергии и материалах.

Макромодуль шахтной гидродобычи может быть включен в общую технологическую схему подземного рудника, если технология относится к участку шахтного поля, управление таким участком сводится к характерным для данной технологии структурным эле-

ментам — системе разработки, схеме подготовки массива и водоснабжения, транспорту, управлению горным давлением. Если же гидромеханизированная добыча производится во всем подземном комплексе, то структура макромодуля такой гидрошахты будет включать в себя все необходимые для подземной разработки технологические циклы: вскрытие, вентиляцию, энергообеспечение и т.д.

При проектировании горнотехнических систем комбинированной разработки шахтная гидродобыча может найти применение в качестве гидроучастка подземного рудника или самостоятельного подземного технологического комплекса для добычи неплотных или пожароопасных пород, а при развитии возможностей оборудования — и скальных пород.

Разработка обводненных забоев земснарядами

Для разработки пород, находящихся под водой или затопленных искусственно, применяют выемку пород земснарядами [4]. Способ основан на всасывании частиц мягких пород вместе с водой землесосом и транспортирование пульпы по трубам к пунктам приема: гидроотвалам, гидроскладам и обогатительным установкам. Отделение породы от массива обеспечивается при помощи разрыхляющих устройств или эрозионно. Все основные технологические операции выполняются одной машиной — плавучим землесосным снарядом. Технические характеристики: производительность по пульпе — от 400 до 4000 м3/ч; производительность по грунту — до 1200 м3/ч; глубина разработки — от 5 до 25 м; дальность транспортирования пульпы по горизонтали — до 3 км.

Широкое применение данный способ нашел на обводненных и малооб-водненных месторождениях неглубо-

кого залегания находящихся на дне естественных водоемов или с наличием водоема для подпитки карьера.

Входные параметры модуля: свойства руды и вскрышных пород, условия залегания рудного тела, гидрогеологические и гидрологические условия разработки Выходные параметры: производительность земснарядного комплекса и срок отработки запасов, объемы вскрышных работ, потребность комплекса в энергетических, трудовых и материальных ресурсах.

Структура макромодуля земснаряд-ной разработки схожа со структурой, представленной на рис. 1. Характерной особенностью является наличие вспомогательного модуля подготовки поверхности, и необходимостью перемещения вскрышных пород в отвал при углублении дна карьерного поля.

Земснарядная разработка перспективна для применения при проектировании разработки верхней части рудных тел на шельфовых месторождениях или в условиях карьеров большой обводненности. Преимуществом земснарядной разработки, по сравнению с открытыми горными работами, является отсутствие необходимости осушения обводненного или затопленного участка недр, поточность технологии и выполнение всех операций добычи одним технологическим комплексом, возможность полной автоматизации процесса. Кроме того, данный метод обладает меньшей экологической нагрузкой на окружающую среду, чем при использовании большого количества самоходных дизельных машин и буро-взрывных технологий разрушения массива пород, характерных для открытых и подземных горных работ.

Таким образом, объединение различных способов гидромеханизированной добычи полезных ископаемых в единой систематизации позволило оценить перспективы применения ка-

ждого из них в рамках единой горнотехнической системы комбинированной геотехнологии. Процессы гидродобычи могут быть применены как самостоятельные комплексы или включаться в технологические схемы физико-технических и физико-химических способов добычи. Для всех гидромеханизированных способов добычи характерно практически полное отсутствие вредного влияния на окружающую среду, возможность автоматизации всех технологических процессов добычного цикла, поточность технологии и отсутствие необходимости постоянного нахождения людей в очистном пространстве.

Структуризация отдельных способов добычи в виде геотехнологиче-

1. Каплунов Д.Р., Рыльникова М.В., Калмыков В.Н. Научно-методическое обоснование модульного принципа проектирования горнотехнических систем.// Недропользование XXI век, — 2009. — №5. — С. 74-78.

2. Городниченко В.И., Дмитриев А. П. Основы горного дела: учебник для вузов. — М.: Горная книга: Изд-во МГГУ. — 456 с.

3. Научные и практические достижения в области гидромеханизации/ В.К.Егоров, В.Л.Каменецкий, С.Л.Харченко, С.М.Штин; Под ред д.т.н., проф И.М.Ялтанца. — М.: Изд-во МГГУ, 2001. — 499 с.

4. Бессонов Е.А. Технология и механизация гидромеханизированных работ: справочное пособие для инженеров и техников. — М.: Центр, 1999. — 544 с.

ских макромодулей с определением входных и выходных параметров, соотношений модулей и элементарных модулей между собой и направлений развития технологии нацелена на упрощение и повышение эффективности проектирования горнотехнических систем комбинированной разработки месторождений полезных ископаемых с включением в них схем гидродобычи. Дальнейшие исследования в этой области заключаются в создании математической модели модульного проектирования, усовершенствовании структуры самих модулей на основе более глубокого анализа мирового опыта применения схем гидродобычи.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

5. Бабичев Н.И. Технология скважинной гидродобычи полезных ископаемых. — М.: Недра, 1981.

6. Арене В.Ж. Физико-химическая геотехнология. — М.: Изд-во МГГУ, 2001. — 656 с.

7. Стрельцов В.И., Мининг С.С., Серы-шев С.Н. Экологические и экономические аспекты освоения глубокозалегающих месторождений КМА.//Горный журнал, — 2004. — №1. — С. 65-68.

8. Охрименко В.А. Подземная гидродобыча угля: учебное пособие для горных техникумов/ под ред к.т.н. И.Г.Ищука. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Недра, 1974. — 312 с.

9. Singh R.D. Principles and practices of modern coal mining, — New Delhi: New Age International publishing, 2004 ГГ7~т?

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Рыльникова М.В. — профессор, доктор технических наук, Юков В.А. — кандидат технических наук, Корнеев Ю.В. — младший научный сотрудник, УРАН ИПКОН РАНЮ, info@ipkonran.ru