Комплексное освоение недр - основное направление проектирования разработки рудных месторождений

- © Д.Р. Каплунов, 2014

УДК 622.013.3

Д.Р. Каплунов

КОМПЛЕКСНОЕ ОСВОЕНИЕ НЕДР — ОСНОВНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАЗРАБОТКИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Рассмотрены основные концептуальные положения проектирования комплексного освоения рудных месторождений. Доказано, что комплексное освоение недр возможно при безотходном использовании всех георесурсов рациональным сочетанием технологий различных способов добычи. Предложены горнотехнические системы с полным циклом формирования и извлечения из недр природных и техногенных георесурсов. Обоснованы положения по маневрированию интенсивностью эксплуатации георесурсов в полном цикле. Ключевые слова: Комплексное освоение, проектирование, рудные месторождения, горнотехнические системы, георесурсы, воспроизводство, полный цикл, интенсивность

Важнейшим направлением повышения эффективности функционирования горнотехнических систем, особенно при добыне и производстве цветных, драгоценных и редких металлов, является рациональное, комплексное использование ресурсов недр Земли. Вместе с тем, истощение благоприятных к выемке запасов минерального сырья в условиях постоянного роста потребления вызывает необходимость нового научно-методического подхода к решению проблем проектирования комплексного освоения и сохранения недр, отвечающего требованиям повышения полноты и качества использования георесурсов.

Длительное освоение рудных месторождений физико-техническими способами привело к существенному истощению балансовых запасов и снижению их качества, а также накоплению большого количества отходов горно-металлургического производства в виде скла-дированнык хвостов обогащения и металлургических шлаков, отвалов некондиционны« руд и вмещающих пород, промышленный стоков.

Накопленные запасы ценных компонентов в хвостохранили-щах сопоставимы по объемам накопления и содержанию ценных

347

компонентов с природными месторождениями, что и определяет целесообразность отнесения их к техногенным месторождениям. С другой стороны, уровень негативного экологического воздействия техногенных образований, ввиду миграции тяжелых металлов и редких элементов в окружающую среду, обусловливает необходимость изыскания эффективных технологий для промышленной эксплуатации бедных руд и отходов их добычи и переработки.

Вовлечение указанных минеральных ресурсов в эффективное промышленное использование возможно только сочетанием традиционного открытого и подземного способов добычи и процессов физико-химической геотехнологии на основе кучного и подземного выщелачивания ценных компонентов из некондиционного сырья. Использование выработанного пространства карьера, отработанных камер в виде технологического пространства для реализации физико-химических технологий, применение для вскрытия запасов ранее пройденных открытых и подземных выработок, а минерализованных промышленных вод в качестве активного растворителя ценных компонентов, позволяет существенно повысить экономическую эффективность и экологичность горных работ, а также за счет этого снизить уровень кондиций на вовлекаемые в разработку природные и техногенные минеральные ресурсы. Обязательным условием комплексного освоения участка недр является использование отходов выщелачивания и породных отвалов в технологии закладки выработанного пространства.

В современных условиях комплексное освоение недр предусматривает совокупное наличие двух неотъемлемых условий: безотходное (малоотходное) использование всех вовлекаемых в ходе освоения участка недр георесурсов и извлечение их рациональным сочетанием технологических процессов и оборудования различных способов добычи. Причем, одно без другого либо невозможно, либо явно неэффективно при вовлечении в промышленную разработку всех запасов месторождения монотехнологией. Создание технологий будущего с реализацией полного геотехнологического цикла требует нового подхода к проектированию, при котором проектируемые системы должны рассматриваться как единое целое и в контексте их полного жизненного цикла.

Для повышения полноты и совокупности освоения недр представляется перспективным формирование единого горно-обогатительного комплекса по добыче и глубокой переработке руд. На

348

одной промышленной площадке размещены рудник, обогатительная фабрика, площадка для кучного выщелачивания и узел переработки продуктивных растворов, а также закладочный комплекс по утилизации отходов кучного выщелачивания в закладке выработанного пространства рудников.

В настоящее время на горнодобывающих предприятиях сложилась объективная необходимость промышленного внедрения горнотехнических систем с полным циклом формирования и извлечения из недр природных и техногенных твердых и жидких минерально-сырьевых потоков с последующим складированием в выработанные пространства недр конечных отходов горно-металлургического производства. Полный цикл предполагает комплексное и экономически оправданное извлечение из недр и из минерального сырья ценных компонентов при применении рационального сочетания известных и перспективных геотехнологий, преимущественно малоотходных, с утилизацией отходов производства в сформированных открытыми и подземными работами выработанных пространствах (рис. 1).

Следует отметить, что проектирование инженерно-технических систем с завершенным технологическим циклом продиктовано требованиями сбережения энергетических, материальных, трудовых и минерально-сырьевых ресурсов. При этом наряду с эксплуатацией балансовых запасов месторождения комбинированными физико-техническими способами добычи (открытым, открыто-подземным и подземным), в разработку методом подземного выщелачивания вовлекаются забалансовые залежи бедных руд сложного вещественного состава методом кучного выщелачивания: бедные руды, размещенные в отвалах, и техногенные отходы горно-обогатительного и металлургического производств. В качестве активного рабочего агента при выщелачивании применяют минерализованные стоки, имеющие зачастую кислую или щелочную среду, что позволяет использовать их модификации с различными добавками в качестве растворителей извлекаемых из руд ценных компонентов. Попутное извлечение содержащихся в минерализованных стоках металлов и других элементов при переработке продуктивных растворов выщелачивания методами гидрометаллургии позволяет, с одной стороны, получить дополнительную товарную продукцию, с другой — способствует очистке свободного от технологического процесса остатка промышленных стоков перед сбросом их в окружающую среду.

349

Рис. 1. Горнотехническая система комбинированной геотехнологии с полным циклом комплексного освоения месторождений: 1 — обогатительная фабрика, 2 — гидромонитор, 3 — сгуститель, 4 — закладочный комплекс, 5 — подземные вскрывающие выработки, 6 — складирование отходов в карьере, 7 — закладочный массив, 8 — карьер, 9 — гидромониторная разработка старогоднего хвостохранилища

Эффективность подземного выщелачивания в базовой горнотехнической системе комплексного освоения месторождений комбинированными геотехнологиями обусловливается расположением рудных тел в зоне уже пройденных вскрывающих выработок подземного рудника. Это — локальные рудные тела или залежи с низким содержанием ценных компонентов либо повышенным количеством вредных примесей. В зависимости от размеров рудных тел и их формы предлагаются две схемы подземного выщелачивания.

Выщелачивание отходов обогащения и бедных руд, включенных в контур открытой разработки, целесообразно проводить в выработанном пространстве отработанного карьера, что позволяет свести к минимуму воздействие физико-химических технологий на окружающую среду. В этой связи весьма важно, что все твердые отходы выщелачивания могут быть эффективно использованы для приготовления твердеющей закладочной смеси.

Важно отметить, что при проектировании комплексного освоения недр целесообразна организация замкнутого оборота минерально-сырьевых потоков с выдачей за пределы системы только товарной продукции. В полном цикле комплексного освоения при совмещении на осваиваемом участке недр процессов открытых, открыто-подземных, подземных горных работ, выщелачивания, гидродобычи, других способов, в зависимости от вида полезных ископаемых, возможно получение различных видов товарной продукции при рациональном сочетании долей:

• рудопотоков богатых руд, перерабатываемых на обогатительной фабрике с получением различных товарных концентратов;

• рудопотоков, представленных некондиционными рудами, предназначенными для кучного выщелачивания;

• потоков твердого и жидкого (минерализованных рудничных вод) техногенного сырья, поступающих в переработку на фабрику, участок кучного выщелачивания, гидрометаллургический передел;

• потоков продуктивных растворов, поступающих с участков шахтного, либо скважинного выщелачивания некондиционных руд, относимых до настоящего времени к забалансовым запасам. В ходе переработки продуктивных растворов на горнодобывающем предприятии возможно получение товарных металлов и их соединений, а также концентратов попутно извлекаемых элементов;

• потоков продуктивных растворов кучного выщелачивания отходов добычи и переработки руд, также перерабатываемых гидрометаллургическими методами с получением выше названных товарных металлов и их соединений и других видов минерального сырья.

Таким образом, в полном цикле комплексного освоения перерабатывающие производства обеспечиваются необходимым объемом твердых и жидких минерально-сырьевых потоков, поступающих с различных добычных участков.

Возможность получения товарной продукции в результате переработки комплекса минерально-сырьевых ресурсов является тем более важным фактором в понимании процессов техногенного преобразования недр, чем более истощаются крупные месторождения нашей страны в промышленно-значимых регионах. Решение вопросов вовлечения бедного природного и техногенного сырья в эксплуатацию комбинированными физико-техническими и физико-химическими геотехнологиями позволит существенно продлить срок эксплуатации предприятий без снижения качественных показателей освоения месторождений.

351

Учет при проектировании возможности маневрирования интенсивностью эксплуатации георесурсов в полном цикле позволяет получать тот же уровень экономической эффективности при более низких темпах добычи балансовых запасов. Такая возможность связана с внедрением технологий извлечения металлов из некондиционных, в современном понимании, руд и переработки техногенного сырья. Компенсация мощностей за счет альтернативных источников весьма важна при возникновении на горных предприятиях ситуаций, связанных с неподтверждением запасов, требований увеличения выпуска товарной продукции, в том числе, в период сложных экономических и других условий.

Рациональная интенсивность эксплуатации запасов богатых руд за счет использования других источников минерального сырья позволяет говорить о сохранении осваиваемого участка недр на длительную перспективу. Стратегическое значение такого подхода к сохранению ресурсов земных недр переоценить невозможно, так как обеспечение будущих поколений минеральным сырьем высокого качества на как можно более длительный период, является важной научной и производственной задачей.

Проблему комплексного освоения полезных ископаемых необходимо решать на самой ранней стадии разработки проекта эксплуатации месторождения сочетанием различных способов и геотехнологий добыни. При этом взаимосвязь технологических решений в рамках проектируемой горнотехнической системы должна базироваться на объединяющей идее комплексного преобразования недр с наиболее полных и эффективным использованием всех вовлекаемых в разработку георесурсов. Предпосылками проектирования комбинированных физико-технических и физико-химических геотехнологий комплексного освоения месторождений с расширенным циклом производственных процессов являются:

• накопление значительны« объемов техногенного сырья, уже прошедшего первичную подготовку, с достаточно высоким содержанием полезный компонентов;

• оставление в недрах вскрыггых, подготовленный и разрабатываемых месторождений значительного количества залежей бедных некондиционных руд;

• благоприятная тенденция роста цен на извлекаемые металлы на мировом рынке сырья;

352

• появление новых реагентов и растворителей и широкое промышленное внедрение в мировой практике процессов физико-химической геотехнологии;

• возможность, благодаря достижениям химических наук, комплексного и селективного извлечения из полиэлементного природного и техногенного сырья полезных компонентов заданного качества;

• расширение потенциала буровой техники и развитие новых технологий взрывных работ;

• сложившийся дефицит минерально-сырьевой базы на действующих горнодобывающих предприятиях, имеющих развитую производственную и социальную инфраструктуру

Таким образом, рекомендуемая к использованию при проектировании комплексного освоения месторождений руд сложного вещественного состава базовая горнотехническая система включает в себя технологические подсистемы по извлечению балансовых запасов месторождения открытым способом системами с внешним отвалообразованием пород вскрыши и подземным способом — разработками с твердеющей закладкой выработанного пространства на основе отходов выщелачивания бедных руд и отходов обогащения. Самостоятельной подсистемой представлен комплекс подземного выщелачивания некондиционных руд на месте залегания и комплекс кучного выщелачивания в карьере, на поверхности и в подземных камерах предварительно окомкованных текущих и старогодних (размещенных в хвостохранилище) отходов обогащения.

На единой промплощадке соответственно проекту базовой горнотехнической системы предусмотрено также размещение цеха обезвоживания и окомкования текущих и лежалых хвостов обогащения для последующего выщелачивания, цеха приготовления твердеющей закладочной смеси для закладки подземного выработанного пространства и цеха гидрометаллургической переработки продуктивных растворов выщелачивания.

Обязательным условием достижения требуемой эффективности и комплексности освоения месторождений руд сложного вещественного состава является установление в базовом проекте на разработку месторождения не столько границ, сколько условий применения комбинированных геотехнологий в их различных сочетаниях.

Таким образом, комбинирование технологий не должно быть вынужденной мерой при затухании горных работ, одним из спосо-

353

бов добычи, а стать обязательным постулатом, введенным в проект комплексного освоения участка недр.

При этом в едином комплексном проекте решаются вопросы поэтапного вовлечения в эксплуатацию отдельных участков недр с оптимизацией во времени и пространстве последовательности реализации сочетаний процессов комбинированной геотехнологии отработки природных залежей и сопутствующих техногенных образований с использованием сформированных открытыми и подземными работами выработанных пространств.

От совершенства методов проектирования, научной обоснованности принимаемых решений зависят темпы научно-технического прогресса. Последний призван обеспечить рост потребностей народного хозяйства в различных видах минерального сырья не только и не столько при вводе в эксплуатацию новых месторождений и увеличении мощности действующих рудников, а в первую очередь за счет более полного, рационального использования разведанных запасов уже разрабатываемых месторождений и утилизации разнообразных отходов горнодобывающего производства. В связи с этим значительно возрастают требования к глубине изучения месторождений и дифференциации разведанных запасов по составу и качеству всех полезных компонентов в свете возможностей новых технологий, основанных на современных достижениях естественных наук.

Последовательность и пространственные параметры реализации технологических процессов должны быть определены на основе оптимизационного моделирования показателей функционирования всех технологических подсистем с установлением времени вовлечения в промышленную эксплуатацию отдельных природнык участков недр, сформированных выработанных пространств и техногенных образований.

Проектирование и реализация новых горных технологий невозможны без:

• увеличения избирательности воздействия на недра и направленного изменения свойств минерального вещества на макро- и микроуровне;

• максимального использования геомеханических, геохимических и других природных аномалий участков недр, минералов и их агрегатов, анизотропии свойств;

• увеличения степени комплексности использования ресурсов рудоносных провинций;

354

• повышения уровня сопряженности технологических процессов;

• минимального изменения экологической функции недр, как части природной среды.

Необходимо отметить, что физико-химическую геотехнологию, позволяющую получать широкий спектр ценных компонентов в виде товарных металлов или промпродуктов, целесообразно осуществлять в комплексе с физико-техническими способами добычи. При этом характеристики физико-технической геотехнологии — способ и система разработки природного месторождения — являются факторами, определяющими технологическое пространство реализации физико-химических технологий переработки отходов горно-обогатительного производства. Способ формирования и разработки техногенных месторождений, представленных отходами добычи и переработки руд, утилизация выщелачивания в качестве компонентов смеси для закладки выработанного пространства также зависят от возможностей и параметров физико-технических технологий.

Важность и сложность проектирования горнотехнических систем комплексного освоения месторождений заключается в том, что как комплексное освоение месторождения, так и полнота использования георесурсов не являются задачами простого сложения отдельных производств, а представляют проблему создания горнопромышленного комплекса с расширенным циклом добычи, переработки руд и утилизации отходов. Этот принцип должен войти в практику проектирования строительства горнодобывающего предприятия, полностью использующего природные и техногенные георесурсы, а также прогрессивные технологии добычи и переработки руды, адаптированные к горно-геологическим условиям месторождения и учитывающие специфику вещественного состава руд.

Реализация требований комплексного освоения месторождений с вовлечением в промышленное использование отходов рудообо-гащения возможна на основе системного подхода к разработке и формированию технологических схем, когда каждая из проектных и технологических задач рассматривается как элемент единой горнотехнической схемы предприятия в целом. При этом эффективность частных проектных решений, связанных с освоением техногенных месторождений, должна оцениваться с позиции обеспечения максимальной эффективности всей технологической схемы освоения месторождения, в рамках единого горно-перерабатывающего комплекса.

Ряд важнейших и наиболее «инерционных» проектных решений, включая добычу полезного ископаемого, использование вырабо-

355

танного пространства, повышение качества добываемой рудной массы и полноты освоения недр в их временной и пространственной взаимосвязи должен приниматься уже на ранних стадиях проектирования в рамках геотехнологической стратегии как руководящей идеи и плана освоения месторождений. В такой стратегии предусматривается рациональное сочетание открытых и подземных горных работ с определением не столько конкретных границ, сколько условий перехода к альтернативной технологии, и заложением на весь период разработки единой схемы вскрытия, обеспечивает возможность эффективного функционирования каждого из способов в усложняющихся условиях эксплуатации месторождений.

Реализация ресурсовоспроизводящих технологий способствует как получению дополнительной продукции и соответствующего экономического эффекта, так и улучшению экологической обстановки в районе деятельности горного предприятия. Причем, непременным условием рационального комплексного освоения недр становится не только достижение максимального технико-экономического эффекта от промышленного освоения и использования природных месторождений, но и его увеличения за счет вовлечения в эффективную промышленную эксплуатацию техногенных месторождений, сформировавшихся в результате многолетней деятельности предприятий горно-металлургического комплекса.

Эффективность внедрения в проекты горнотехнических систем с полным циклом комплексного освоения недр обеспечивает:

• восполнение минерально-сырьевой базы горнодобывающих предприятий;

• снижение издержек производства на 10-15%;

• повышение извлекаемой ценности добываемых и перерабатываемый руд на 30-40%;

• сокращение потерь полезных ископаемык на 15-20%;

• замещение дорогостоящих инертных заполнителей закладочных смесей отходами переработки руды не менее чем на 30%;

• повышение извлечения ценных компонентов в концентраты на 2-10% без снижения качества концентратов;

• утилизацию до 50% отходов горнодобывающего производства в выработанном пространстве открытого и подземного рудника.

Дополнительный эффект от внедрения физико-технической и физико-химической геотехнологии:

• повышение качества жизни и здоровья населения горнодобывающих регионов за счет существенного улучшения экологической

356

ситуации при сокращении объемов складированных на поверхности отходов;

• расширение периода эффективной жизнедеятельности горных предприятий за счет вовлечения в промышленную эксплуатацию бедных, некондиционных руд, а также техногенных отходов — рудных отвалов, хвостов обогащения, шлаков металлургии, минерализованных промышленных вод;

• более полное и комплексное использование минерально-сырьевых ресурсов, за счет вовлечения в комплексную разработку минерального сырья, ранее считавшегося непригодным для добычи и переработки, с обеспечением извлечения широкого спектра ценных компонентов, содержащихся в рудах, забалансовых запасов и отходов горно-перерабатывающего комплекса;

• сокращение затрат на строительство и эксплуатацию хвостох-ранилищ;

• создание принципиально новых видов продукции горного предприятия — товарных металлов и их соединений;

• усиление конкурентных позиций отечественной науки и бизнеса за счет инновационной деятельности при реализации комбинированных физико-технических и физико-химических технологий с высокой экономической эффективностью на горнодобывающих предприятиях, имеющих на балансе природное и техногенное минеральное сырье.

Исследованиями доказано, что для полного использования природных и техногенных георесурсов необходимо рассматривать предприятие по освоению рудных месторождений твердых полезных ископаемых как единый технологический комплекс для осуществления полного цикла комбинированных физико-технических и физико-химических геотехнологий с оптимизацией сроков и очередности поэтапного ввода производственных мощностей. Только в этом случае результаты комплексного освоения недр принесут максимальный экономический, экологический и социальный эффект для горно-перерабатываюшей промышленности России. Ш

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Каплунов Давид Родионович — член-корреспондент РАН, заведующий отделом теории проектирования освоения недр, Институт проблем комплексного освоения недр РАН, KAPDAN@rambler.ru

357