Особенности технического переоснащения подземных рудников на современном этапе развития геотехнологий

ГЕОТЕХНОЛОГИЯ

УДК 622.013.3

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНИЧЕСКОГО ПЕРЕОСНАЩЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ РУДНИКОВ НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ РАЗВИТИЯ ГЕОТЕХНОЛОГИЙ

Д.Р. Каплунов, М.В. Рыльникова

Исследование условий и параметров технического переоснащения подземных рудников для их устойчивого функционирования является основой для прогноза изменения параметров технического оснащения подземных рудников на инновационной основе в связи современным состоянием минерально-сырьевой базы и развитием отечественного машиностроения. Приведены основные особенности технического переоснащения рудников на современном этапе развития геотехнологий.

Ключевые слова: недропользование, подземный рудник, техническое переоснащение, технологический уклад, геотехнологические процессы, инновационные геотехнологии, эффективность.

Исторический аспект проблемы

До определенного времени техническое перевооружение подземного рудника соотносилось с созданием и совершенствованием систем разработки месторождений твердых полезных ископаемых. При этом система разработки понималась как определенный порядок и последовательность проведения во времени и пространстве подготовительно-нарезных и очистных выработок.

В соответствии с этим, решение вопросов технического перевооружения рудника рассматривалось с позиции совершенствования наиболее трудоемких технологических процессов проходки горных выработок в направлении роста технологической интенсивности горных работ и производительности труда горнорабочих. Именно поэтому смена технологического уклада рудника в тот период определялась заменой ручного и

переносного бурового и погрузочно-доставочного оборудования на самоходную технику, предназначенную для осуществления этих процессов [1].

Технологическое перевооружение не было связано с совершенствованием технологии горных работ, количественным или качественным составом применяемых процессов, их характеристиками, определяемыми местом производства работ, технологическими показателями процессов, характеристиками управления состоянием массива, качеством рудной массы, параметрами логистической схемы рудника. В последующем развитии эти вопросы стали приобретать приоритетное, определяющее положение.

В результате, с течением времени и под влиянием научно-технического прогресса система подземной разработки стала рассматриваться как совокупность и последовательность выполнения основных и вспомогательных технологических процессов, примененных в определенном конструктивном решении для извлечения элементарной выемочной единицы осваиваемого участка недр [2, 3].

Особенности технического перевооружения рудника на современном этапе

При такой постановке задач перевооружение рудника стало связано не со скоростью бурения шпуров или скважин отдельной машиной, не с внедрением более современных вибродоставочных и скреперных установок, а с изысканием новых технологий горных работ и расширением в целом перечня геотехнологических процессов подземной добычи.

На современном этапе научно-технического прогресса термины «техническое оснащение» и «техническое перевооружение» горного производства стали синонимами, так как техническое перевооружение всегда требует коренной перестройки производства. Оснащение горного предприятий на современной технической основе требует крупномасштабной перестройки на инновационной основе, сопровождающейся, как правило, ростом производственной мощности, сменой и расширением технологических операций и процессов.

Например, замена способа проходки восстающих с применением мелкошпуровой отбойки на метод посекционного взрывания (ГМК) качественно изменило технологию и скорость проведения вертикальных подготовительно-нарезных выработок. Изменения требований к креплению горных выработок привело к появлению принципиально новых способов нанесения и состава торкрет- и набрызг бетонной крепи, появлению новых типов конструкций комбинированных крепей и способов их возведения, сопровождаемых появлением новой техники и технологий выполнения соответствующих операций.

Новое понимание процессов взаимодействие крепи с массивом пород при различном характере нагружения горных конструкций привело к появлению целого семейства анкерных крепей и устройств для установки анкеров и проверки их несущей способности.

106

Перевооружение подземных рудников в части управления состоянием массива горных пород привело к появлению новых требований к закладочным работам при этом, в силу универсальности области применения, высокой полноты и качества освоения недр, возможности утилизации отходов в выработанном пространстве земных недр [4-7].

И все-таки, на наш взгляд, одной из основных особенностей технического перевооружения рудника на современном этапе технологического развития является расширение общего перечня технологических процессов добычи полезных ископаемых с приближением места реализации, как основных, так вспомогательных процессов, к месту непосредственной востребованности данного вида работ с сокращением выдаваемых на поверхность отходов горного производства.

Расширение цикла технологических процессов горных работ

Сегодня речь идет об ином рассмотрении процессов подземных горных работ. Появились новые технологические решения, ранее не характерные для традиционного горного производства геотехнологические процессы, либо известные процессы стали рассматриваться в новом качестве:

- кучное выщелачивание ценных компонентов из техногенного сырья с формированием штабелей выщелачивания в выработанном пространстве карьеров, подземных камер, на отвалах с применением в качестве активных агентов выщелачивания минерализованных рудничных вод и их модификаторов;

- грануляция и окомкование дисперсного техногенного сырья при подготовке его к выщелачиванию;

- скважинное выщелачивание и массоперенос ценных компонентов из донорских рудных тел и осаждение металлов и их соединений на акцепторных телах, руды которых после извлечения направляются непосредственно на пирометаллургический передел;

- сгущение и обезвоживание техногенного сырья перед складированием в выработанном пространстве карьеров и шахт: ранее этот процесс сопровождал исключительно обогатительное производство и гидрометаллургический передел;

- поризация хвостовой пульпы перед подачей в выработанное пространство с целью придания заданных фильтрационных характеристик техногенному массиву для последующего выщелачивания ценных компонентов;

- подготовка закладочных материалов и смеси с применением передвижных закладочных установок модульного типа, способных работать как на поверхности, так и в подземных условиях и перемещаться вслед за развитием фронта горных работ;

- рудничная сепарация;

- рекуперация энергии движущихся в ходе реализации геотехнологических процессов масс для преобразования ее в электрическую.

Внедрение перечисленных инновационных процессов способствует реализации принципа экологически сбалансированного освоения недр [8]. При этом, технологическое оборудование, обеспечивающие реализацию указанных технологических процессов, выполняется в передвижном или мобильном исполнении с комплектацией по модульному принципу.

Особенности инновационных процессов подземной добычи Качественно изменяются требования к процессу закладки выработанного пространства, появились новые способы приготовления закладочной смеси в непосредственной близости от места производства закладочных работ. Приготовление смеси осуществляется на облегченных передвижных закладочных установках с размещением модулей по вертикали в выработках подземного рудника.

Основными требованиями, наряду с обеспечением безопасности работ, выступает максимальное использование в составе закладочной смести отходов производства. При приготовлении смеси в месте, максимально приближенном к зоне возведения закладочного массива, смесь сохраняет свои реологические, прочностные и деформационные характеристики. При этом время отставания завершения очистных и начала закладочных работ сводится к минимуму. Передвижные закладочные комплексы перемещаются вслед за развитием фронта закладочных работ, включают в свой состав инерционные дробилки, обеспечивающие требуемые характеристики грансостава смеси на основе пород от проходки горных выработок, а также передвижное фильтрационное оборудование для сгущения хвостовой пульпы обогащения руд до состава пастовой смеси. Для достижения требуемых технологических характеристик смеси используется модификаторы, вводимые в ее состав на передвижных смесителях.

Следует отметить, что становление закладки выработанного пространства как одного из основных процессов управления геомеханическим состоянием массива также является характерным признаком нового технологического уклада подземного рудника. По сути, закладка заменила такие ранее широко распространенные способы управления состояние массива, как крепление пород кровли и висячего бока, магазинирование отбитой руды, оставление несущих целиков. Это связано с ухудшением горногеологических и геомеханических условий освоения месторождений, более жесткими требованиями к качеству освоения недр и экологизацией горного производства. Универсальность области применения систем разработки с закладкой выработанного пространства, совершенствование способов приготовления и состава закладочной смеси с возможностью утилизации в ее составе отходов производства обеспечивают расширение области применения этих прогрессивных технологий. При этом компенсация основного отрицательного признака данного класса систем разработки - высокая

108

стоимость возведения закладочного массива обеспечивается ранее отмеченными признаками технического перевооружения подземных рудников - перемещение места производства закладочной смеси к фронту закладочных работ и использование в составе отходов горного производства, что исключает необходимость выдачи и размещения последних на поверхности.

В современных условиях техническое перевооружение производства становится более эффективным при условии обеспечения рационального масштаба подземных рудников для наилучшего использования их горных возможностей с учетом этапов и периодичности технологического переоснащения. Масштаб производства определяет формы, объемы и способы технического перевооружения в технологическом, экономическом и экологическом плане для обеспечения требуемых параметров среды обитания человека, как непосредственно в самой горнотехнической системе, так и в ореоле ее влияния.

При управлении качеством добываемой рудной массы сохраняет высокое значение процесс стабилизации качественного состава добываемого сырья в части усовершенствования конструкции применяемых усред-нительных устройств [9].

Относительно технического переоснащения процесса управления качеством добываемого сырья в современных условиях следует отметить отказ от принципа уменьшения разубоживания руды вмещающими, в том числе слабоминерализованными, породами. При общем снижении качества вовлекаемых в разработку руд стремление к сокращению потерь полезных ископаемых в недрах привело к росту объемов извлечения рудной массы, сопровождаемое развитием и широкомасштабным промышленным использованием методов крупно- и среднепорционной, а также покусковой рудничной сепарации.

При этом в зависимости от контрастных признаков руды и вмещающих пород применяются методы радиометрической, рентгенорадио-метрической, люминисцентной, магнитной, гравитационной сепарации, либо их сочетания, Это позволяет отбить уже на уровне эксплуатационного горизонта некондиционную фракцию пород для использования их в составе закладочной смеси. При этом большая часть породной массы без выдачи на поверхность размещается в выработанном пространстве недр, а обогащенный ценными компонентами концентрат сепарации направляется на последующий передел, который также может производиться в камерах подземного рудника. Применение малогабаритного дробильного и флотационного оборудования, различного рода сгустителей и фильтрационных машин, размещенных по каскадной схеме, позволяет существенно снизить энергетические затраты и экологическое воздействие на среду обитания за

счет того, что некондиционные отходы после соответствующей подготовки утилизируются в выработанном пространстве.

Процессы получения возобновляемых источников энергии

Важно отметить, что техническое перевооружение рудника чаще всего связано с ростом удельного энергопотребления. Только в случае, если оно сопровождается изменением состава применяемых технологических процессов возможно сокращение расхода потребляемой энергии. Поэтому одним из принципов технического перевооружения в современных условиях является изменение состава применяемых технологических процессов, включая процессы получения электроэнергии от возобновляемых источников в ходе реализации процессов, связанных с техногенным преобразованием недр.

Речь должна идти об оснащении технологических процессов таким средствами, которые в наибольшей степени обеспечивают возможность получения возобновляемых источников энергии.

Следует отметить, что рост энергоэффективности геотехнологических процессов и использование возобновляемых источников энергии перепускаемых вниз подземных вод, хвостовой пульпы и закладочной смеси, вентиляционных рудничных потоков, энергии силы тяжести большегрузной горно-транспортной техники, рекуперации энергии подъемных и транспортных средств при торможении, статического давления и динамических колебаний горного массива при соответствующем аппаратурном обеспечении способно существенно сократить внешнее потребление рудником электрической энергии [10, 11].

Широкие возможности получения электрической и тепловой энергии раскрываются при отработке месторождений методами кучного, шахтного и скважинного выщелачивания. Применение данных методов, несмотря на относительно невысокий уровень извлечения ценных компонентов, позволяет использовать их на месте залегания, а на поверхность выдавать только металлические товарные концентраты и их соединения. Химические процессы выщелачивания сопровождаются выделеним тепла, что приводит к формированию разности температур в эксплуатационной камере, рудничной атмосфере подземных выработок и окружающем массиве, что является условием получения дополнительной тепловой энергии с использованием тепловых насосов или электрической энергии на основе эффекта ТЭДС.

Роботизация горного производства

Другой наиболее значимой и определяющей чертой технического перевооружения подземного рудника на современном этапе, безусловно, является расширение области применения автономных интеллектуальных геотехнологий, не предполагающих присутствие оператора в рабочей зоне и за счет этого уменьшающих либо полностью исключающих влияние человеческого фактора на показатели реализации технологических процес-

110

сов. Внедрение на руднике автономного оборудования, работающего в интеллектуальном (программном) режиме управления без участия оператора исключает влияние человека на операционном уровне и повышает его значимость в управлении и организации производства [12]. Речь идет не об использовании оборудования с дистанционным управлением. Оно способно снизить риски местных, локальных обрушений горных пород. Переход на широкомасштабное применение интеллектуального оборудования способно качественно изменить параметры горнотехнических конструкций на открытых и подземных работах, способствует появлению новых систем разработки, и, самое главное, качественно изменяет показатели эффективности, полноты и комплексности освоения недр.

Требования к системе организации производства

Следует отметить, что все выше перечисленные особенности современного технического перевооружения подземного рудника неразрывно связаны с ростом уровня организации производства. Изменение условий эксплуатации техники и ее стоимости требует формирования новой системы организации производственных процессов. Поэтому одним из принципов технического перевооружения рудника на современном этапе является обеспечение соответствия уровня организации производства уровню технического перевооружения, что определяется специфическими условиями ограниченности подземного технологического пространства для размещения технического оснащения, материальных складов и транспортных связей, призванных обеспечить ритмичное и синхронное функционирование расширенного перечня инновационных технологических процессов.

Принцип технического перевооружения рудника необходимо дифференцировать по стадиям освоения месторождений. Так, на завершающей стадии освоения балансовых запасов, когда необходимо своевременно перейти к вовлечению в промышленную эксплуатацию георесурсов более низкого качественного состава или иного хозяйственного назначения, требуется принципиальное изменение состава технологических процессов, то есть переход к новому технологическому укладу производства.

Заключение

Таким образом, на предыдущем этапе развития производства техническое перевооружение рудника было связано с механизацией наиболее трудоемких процессов добычи и переработки полезных ископаемых для достижения более высоких показателей производительности труда и экстенсивной эксплуатации месторождений.

Современный этап технического перевооружения подземных рудников предполагает расширение перечня технологических процессов в целях получения лучших количественных и качественных показателей ин-

тенсивного освоения недр на основе внедрения рациональных сочетаний физико-технических и физико-химических геотехнологических процессов на стадиях добычи и переработки минерального сырья с получением возобновляемых источников энергии. При этом техническое оснащение рудника должно базироваться на расширении сферы применения автономного интеллектуального оборудования, программно адаптируемого к изменению условий освоения, каждое из которых уникально в своей основе. В целом, техническое переоснащение рудника предназначено для сокращения технико-технологических и производственных рисков, рисков промышленной и экологической безопасности, охраны недр и среды обитания в рамках горнотехнической системы и ореоле ее влияния.

Роль проектировщика, разработчика технологии, оборудования, программного обеспечения - определение области предпочтительного использования и рациональных параметров горнотехнических систем (конструкций, процессов, оборудования) для технического перевооружения подземного рудника в заданных условиях освоения участка недр в соответствии с описанными современными тенденциями развития горной науки и технологий.

Список литературы

1. Агошков М. И. Определение производительности рудника. М.: Металлургиздат, 1948. 272 с.

2. Каплунов Д.Р. Развитие производственной мощности подземных рудников при техническом перевооружении. М.: Наука, 1989. 263 с.

3. Баранов А. О. Проектирование технологических схем и процессов подземной добычи руд: справ. пособие. М.: Недра, 1993. 283 с.

4. Айнбиндер И. И. Модернизация подземной добычи руд на больших глубинах // Горный журнал. 2016. №12. С. 51 - 55.

5. Грязнов М. В., Рыльников А. Г., Абдрахманов Р. И. Логистическая концепция управления производственными процессами утилизации отходов добычи и переработки руд в выработанном пространстве подземного рудника // ГИАБ (научно- технический журнал). Отдельные статьи. 2015. №12. С.73 - 88.

6. Значение, результаты испытаний и перспективы применения передвижных закладочных комплексов при подземной разработке рудных месторождений /Д.Р. Каплунов [и др.] // Маркшейдерский вестник. 2013. №1. С. 14 - 17.

7. Исследование составов и способов приготовления закладочных смесей на подземных передвижных закладочных установках / Р. Ш. Ман-нанов [и др.] // Комбинированная геотехнология: теория и практика реализации полного цикла комплексного освоения недр: материалы междунар.

науч.-техн. конференции. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». 2011. С. 28 - 31.

8. Каплунов Д. Р., Рыльникова М. В., Радченко Д. Н. Научно-методические основы проектирования экологически сбалансированного цикла комплексного освоения и сохранения недр земли // ГИАБ. 2015. Спец. выпуск №15. Вып. 3. С. 5 - 11.

9. Рыльников А. Г. Стабилизация качества рудной массы на карьерах с применением метода динамического программирования // Маркшейдерский вестник. 2013. № 6. С. 11 - 15.

10. Рыльникова М.В., Галченко Ю. П. Возобновляемые источники энергии при освоении земных недр. М: ИПКОН РАН. 2015. 122 с.

11. Перспективы применения и оценки параметров энергоэффективных геотехнологий при комплексном освоении месторождений / М. В. Рыльникова, К. И. Струков, В. В. Олизаренко, И. С. Туркин // Горный журнал. 2017. №11. С. 71 - 76.

12. Условия и перспективы внедрения роботизированных геотехнологий при открытой разработке месторождений / К. Н. Трубецкой, М. В. Рыльникова, Д. Я. Владимиров, И. А. Пыталев // Горный журнал. 2017. № 11. С. 60 - 64.

Каплунов Давид Родионович, д-р техн. наук, проф., чл.-корр. РАН, kapdan@rambler.ru, Россия, Москва, ИПКОН РАН,

Рыльникова Марина Владимировна, д-р техн. наук, проф., зав. отделом, rylnikova@mail.ru, Россия, Москва, ИПКОН РАН

FEATURES TECHNICAL RE-EQUIPMENT OF UNDERGROUND MINES

AT THE PRESENT STAGE OF DEVELOPMENT OF GEOTECHNOLOGIES

D.R. Kaplunov, M.V. Rylnikova

The study of conditions and parameters of technical re-equipment of underground mines for their sustainable operation is the basis for the forecast of changes in the parameters of technical equipment of underground mines on an innovative basis in connection with the current state of the mineral resource base and the development of national engineering. The main features of technical re-equipment of mines at the present stage of development of geo-technologies are given.

Key words: subsoil use, underground mine, technical re-equipment, technological structure, geotechnologicalprocesses, innovative geotechnologies, efficiency.

Kaplunov David Rodionovich, doctor of technical sciences, professor, Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, kapdan@rambler.ru, Russia, Moscow, IPKON RAS,

Rylnikova Marina Vladimirovna, doctor of technical sciences, professor, head of department, rylnikova@mail.ru, Russia, Moscow, IPKONRAS

Reference

1. Agoshkov MI Determination of mine productivity. Moscow: Metallurgizdat, 1948.

272 p.

2. Kaplunov D.R. Development of production capacity of underground mines during technical re-equipment. Moscow: Nauka, 1989. 263 p.

3. Baranov AO Designing of technological schemes and processes of underground mining of ores: info. allowance. M .: Nedra, 1993. 283 p.

4. Ainbinder II. Modernization of underground ore mining at great depths. Mining Journal. 2016. № 12. Pp. 51-55.

5. Gryaznov MV, Rilnikov AG, Abdrakhmanov RI Logistic concept of management of production processes for the utilization of mining waste and ore processing in the developed space of the underground mine // GIAB (scientific and technical journal). Separate articles. 2015. № 12. P.73-88.

6. Significance, test results and prospects for the use of floating packing complexes in the underground mining of ore deposits. Kaplunov [and others] // Mine Surveying herald. 2013. №1. Pp. 14-17.

7. Investigation of compositions and methods for preparation of filling mixtures on underground mobile packing plants / R. Sh. Mannanov [, etc.] // Combined geotechnology: theory and practice of the full cycle of integrated mineral resources development: materials of the international. scientific-techn. conference. Magnitogorsk: GOU VPO "MSTU". 2011. pp. 28-31.

8. Kaplunov DR, Rylnikova MV, Radchenko DN Scientific and methodological foundations of the project of an ecologically balanced cycle of integrated development and conservation of the earth's interior // GIAB. 2015. Spec. issue number 15. Issue. 3. P. 5-11.

9. Rilnikov AG Stabilization of the quality of ore mass in quarries with the application of the dynamic programming method // Marshejdersky vestnik. 2013. № 6. P. 11-15.

10. Rylnikova MV, Galchenko Yu. P. Renewable sources of energy in the development of the earth's interior. M: IPKON RAS. 2015. 122 p.

11. Prospects of application and assessment of parameters of energy-efficient geo-technologies for integrated development of deposits / MV Rylnikova, KI Strukov, VV Oliza-renko, IS Turkin // Mining magazine. 2017. № 11. P.71-76.

12. Conditions and prospects for the introduction of robotic geotechnologies in open field development / KN Trubetskoi, MV Rylnikova, D. Ya. Vladimirov, IA Pytalev // Mining Journal. 2017. No. 11. P. 60-64.