Проектирование формирования и развития горнотехнических систем при комбинированной геотехнологии

Проектирование строительства

и развития горно-технических систем

© Д.Р. Каплунов, М.В. Рыльникова, 2015

УДК 622.271.3: 622.272

Д.Р. Каплунов, М.В. Рыльникова

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРИ КОМБИНИРОВАННОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ1

Наиболее полное и комплексное использование всех георесурсов возможно только при рациональном сочетании технологических процессов и оборудования различных способов добычи. Это составляет неотъемлемый принцип проектирования комплексного освоения недр. Комбинирование геотехнологий — это необходимое и достаточное условие комплексного освоения и сохранения недр, которое должно быть не следствием сворачивания горных работ, а обязательным постулатом, на котором будет базироваться практика проектирования и эксплуатации участка недр при освоении месторождений. 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 перехода от одной технологии к другой в различных сочетаниях их геотехнологических процессов и заблаговременное создание технологических возможностей такого перехода. Анализ и учет возможностей маневрирования объемами вовлекаемых в эксплуатацию природных и техногенных георесурсов при проектировании полного цикла комплексного освоения недр способствует достижению требуемого уровня экономической эффективности при более низких темпах добычи балансовых запасов, что позволяет продлить период эксплуатации месторождения, срок существования горнодобывающего предприятия и в целом расширить минерально-сырьевую базу страны.

Ключевые слова: рациональное освоение, месторождения, многокомпонентные руды, горнотехнические системы, комбинированные геотехнологии, комплексное освоение недр, утилизация отходов, техногенные месторождения.

1 Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 15-05-07771.

229

Комплексное освоение недр предусматривает совокупное наличие двух неотъемлемых условий — это безотходное (малоотходное) использование всех вовлекаемых в ходе освоения участка недр георесурсов — минерально-сырьевых природных и техногенных запасов, тепла и энергии земных недр, получаемой в ходе их освоения и реализации геотехнологических процессов, выработанных пространств и техногенного рельефа, сформированного горными работами. Наиболее полное и комплексное использование всех перечисленных георесурсов возможно только рациональным сочетанием технологических процессов и оборудования различных способов добычи, что и составляет неотъемлемый принцип проектирования комплексного освоения недр комбинированной геотехнологией. Одно без другого либо невозможно, либо явно неэффективно при вовлечении в промышленную разработку всех георесурсов, формируемых при освоении месторождения, какой-либо одной монотехнологией [1].

Вместе с тем, истощение благоприятных к выемке запасов в условиях постоянного роста потребления вызывает необходимость нового научно-методического подхода к решению проблем проектирования комплексного освоения и сохранения недр Земли, отвечающего требованиям повышения полноты и качества использования минерального природного и техногенного сырья, рудничных вод и газов, техногенных пространств и рельефа с учетом усложняющихся природно-климатических, газогидрологических, геомеханических и геотехнологических условий освоения месторождений.

Важно отметить, что в этих условиях только сочетание физико-технических геотехнологий, предусматривающих структуры горного массива, и физико-химических, базирующихся на придании подвижности извлекаемым элементам путем изменения фазового состава вещества, способно обеспечить требуемые показатели эффективности и полноты использования георесурсов с обеспечением безопасности горных работ.

Причем, комбинирование геотехнологических процессов и способов добычи не должно быть вынужденной мерой при затухании горных работ одним из способов, а должно стать обязательным постулатом, введенным в практику проектирования

230

и эксплуатации участка недр при освоении месторождений. Комбинирование геотехнологий — это необходимое и достаточное условие комплексного освоения и сохранения недр.

Предпосылками проектирования комбинированных геотехнологий комплексного освоения месторождений с полным циклом производственных процессов являются:

- накопление значительных объемов техногенного сырья, уже прошедшего первичную подготовку, с достаточно высоким содержанием полезных компонентов;

- оставление в недрах вскрытых, подготовленных и разрабатываемых месторождений значительного количества залежей бедных некондиционных руд;

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

- 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.

Проектирование горных предприятий с двумя существенно различными способами добычи и переработки сырья имеет ряд особенностей технологического, экономического и организационно-технического плана. Это связано с расширением перечня технологических процессов и изменением схем механизации горных работ, конструктивного исполнения основного технологического оборудования. Необходимость расширения геотехнологического цикла при комплексном освоении недр обусловлена, прежде всего, включением процессов, обеспечивающих наиболее полное использование качества природного и техногенного минерального сырья при сокращении объемов складирования отходов на поверхности Земли за счет ути-

231

лизации их преимущественно в выработанном пространстве земных недр [2].

При разработке единого комплексного проекта на освоение участка недр решаются вопросы поэтапного вовлечения в эксплуатацию отдельных георесурсов с оптимизацией во времени и пространстве последовательности использования технологического сочетания процессов отработки природных залежей и сопутствующих техногенных образований с использованием сформированных открытыми и подземными работами выработанных пространств и техногенных ландшафтов (рис. 1).

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 перехода от одной технологии к другой в их различных сочетаниях и заблаговременного создания технологических возможностей такого перехода — формирование в выработанном пространстве карьера площадок для размещения вскрывающих выработок будущего подземного рудника, выделение отдельных участков массива борта с нормативным коэффициентом запаса устойчивости на весь период эксплуатации месторождения комбинированным способом, создание возможности и перспектив многоцелевого использования выработанных пространств карьера и подземного рудника для реализации технологий выщелачивания (рис. 2), утилизации отходов горно-перераба-

тывающего производства, воспроизводства электроэнергии.

Анализ технологий отработки переходных зон и специфики геомеханических процессов позволил

Рис. 1. Трехъярусная горнотехническая система с сочетанием открытой, открыто-подземной и подземной добычи и подземного скважинного выщелачивания бедных руд нижнего яруса

232

Рис. 2. Кучное выщелачивание бедных руд в выработанном пространстве карьера

сформулировать следующие основные принципы формирования на этапе проектирования стратегии освоения месторождений комбинированным способом:

- экономическое обоснование рационального порядка освоения месторождения с полезным использованием всех георесурсов, заключенных на данном участке недр, и структуризация объемов добычи по видам комбинируемых технологий;

- определение порядка, последовательности и условий перехода от открытой геотехнологии к подземной;

- обоснование оптимальной интенсивности отработки месторождения на различных этапах;

- обеспечение полноты и комплексности извлечения природных и техногенных минеральных ресурсов;

- создание единой системы вскрытия и подготовки запасов на весь период отработки месторождения;

- минимизация всех видов затрат на горные работы: открытые, подземные, комбинированные за счет рационального сочетания технологических процессов различных способов добычи;

- обеспечение заданных качественных характеристик объединенного рудопотока, предопределяющих наиболее эффективное и комплексное его использование;

- использование в качестве критериев экономической эффективности показателей совокупного дохода от освоения месторождения в целом.

Реализация этих принципов комбинированной геотехнологии обеспечивает:

- наиболее полное и экономически оправданное извлечение из недр основных и попутных полезных ископаемых различных по составу и качеству компонентов;

233

- рациональное использование вскрышных пород и пород попутной добычи;

- полезное использование пустот, формируемых горными работами, а также тепла земных недр, глубинных газов, подземных вод;

- вовлечение в эффективную промышленную эксплуатацию накопленных в техногенных образованиях и формирующихся отходов производства;

- повышение качества минерального сырья путем проведения специальных геотехнологических процессов подготовки природных и техногенных залежей к эксплуатации;

- сохранение саморегулирующей и самовосстанавливающей функции недр за счет использования допустимых технологий и масштабов их освоения.

Выполненными в ИПКОН РАН исследованиями доказано, что при комплексном освоении недр складирование отходов горно-металлургического производства может и должно быть управляемым геотехнологическим процессом [3]. При этом отходам и сформированным из них техногенным массивам

Рис. 3. Кучное выщелачивание окомкованных хвостов обогащения в выработанном пространстве карьера: 1 — вентиляционный штрек, 2 — венти-ляционно-ходовой восстающий, 3 — доставочный штрек, 4 — рудоспуск; 5 — откаточный штрек; 6 — штабель окатанного материала; 7 — система орошения; 8 — искусственная потолочина; 9 — прудок для сбора продуктивного раствора

8

234

необходимо придавать определенные технологические характеристики, которые обеспечивают возможность последующей эффективной эксплуатации сформированного техногенного месторождения (рис. 3, 4).

Требуемые технологические характеристики отходов должны обосновываться с учетом установленных закономерностей формирования технологических свойств техногенного сырья, как в процессе его складирования и хранения, так и при эксплуатации сформированного техногенного месторождения.

Негативные природные процессы, связанные со складированием и хранением отходов горного и обогатительного производства — миграция элементов в окружающую среду вследствие природного выщелачивания, сегрегация и седиментация, выветривание, эрозия, пыление, оседание, обрушение и другие, должны учитываться как факторы, определяющие технологию формирования техногенных образований качественно нового состава и свойств, обеспечивающих эффективную промышленную эксплуатацию техногенного сырья.

Учет при проектировании возможностей маневрирования объемами вовлекаемых в эксплуатацию природных и техноген-

П  11 7

Рис. 4. Горнотехническая система со складированием техногенного сырья для длительного хранения с сохранением его качества: 1 — заполненный геотекстильный контейнер; 2 — контейнер в режиме заполнения; гидроизоляционное основание; 3 — погрузчик; 4 — сборная канава оборотной воды; 5 — обогатительная фабрика; 6 -пульпопровод; 7, 8 — комплекс подготовки отходов обогащения для кучного выщелачивания; 9 — штабель кучного выщелачивания; 10 — прудок для сбора продуктивных растворов; 11, 12, 13 — комплекс подготовки отходов добычи для кучного выщелачивания

235

ных георесурсов в полном цикле комплексного освоения недр [4] позволяет получать тот же (требуемый) уровень экономической эффективности при более низких темпах добычи балансовых запасов. Это позволяет продлить период эксплуатации месторождения и срок существования предприятия — недропользования. Сохранить ресурсы перспективных месторождений для эксплуатации в будущем и в целом расширить минерально-сырьевую базу страны.

Стратегическое значение такого подхода к сохранению ресурсов земных недр переоценить невозможно, так как обеспечение регионов природным минеральным сырьем высокого качества на как можно более длительный период, является важнейшей задачей.

При таком подходе к освоению недр на горно-обогатительном предприятии должны проектироваться новые, ранее не характерные для традиционного горного производства геотехнологические процессы, либо известные процессы 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;

- 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 пирометаллур-гический 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;

236

- 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 рентгенорадиометрическая или иная сепарация;

- рекуперация энергии движущихся в ходе реализации геотехнологических процессов масс для преобразования ее в электрическую [5].

Обоснование принципов и стратегии рационального освоения месторождений многокомпонентных руд на перспективу, создание новых процессов и технологий комплексной и экологически безопасной их разработки должно базироваться на повышении степени их геотехнологической изученности и решении геотехнологических, геомеханических, и экологических проблем в интересах устойчивого обеспечения потребностей народного хозяйства в комплексном минеральном сырье.

Внедрение выше обозначенных принципов формирования стратегии полного цикла комплексного освоения недр комбинированной геотехнологией обеспечивает:

- восполнение минерально-сырьевой базы горнодобывающих предприятий;

- снижение издержек производства на 10-15%;

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

- сокращение потерь полезных ископаемых 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 рудников.

Дополнительным эффектом внедрения указанных принципов проектирования горнотехнических систем является:

- повышение качества жизни и здоровья населения горнодобывающих регионов за счет существенного улучшения экологической ситуации при сокращении объемов складированных на поверхности отходов;

237

- облагораживание территорий горных отводов;

- 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 хво-стохранилищ;

- создание принципиально новых видов продукции горного предприятия — товарных металлов и их соединений, а также электрической энергии;

- сокращение внешнего электропотребления горного предприятия и существенное снижение выбросов С02 в атмосферу;

- 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.

В целом, результатами выполненных исследований доказано, что для полного использования природных и техногенных георесурсов необходимо рассматривать предприятие по освоению рудных месторождений твердых полезных ископаемых как единый технологический комплекс по осуществлению полного цикла комбинированных физико-технических и физико-химических геотехнологий с оптимизацией сроков и очередности поэтапного ввода производственных мощностей. Только в этом случае результаты проектирования и реализации стратегии комплексного освоения недр принесут максимальный экономический, экологический и социальный эффект для горно-пере-рабатывающей промышленности России.

238

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Каплунов Д.Р., Рыльникова М.В., Радченко Д.Н. Расширение сырьевой базы горнорудных предприятий на основе комплексного использования минеральных ресурсов месторождений // Горный журнал. — 2013. — № 2. — С. 86-90.

2. Трубецкой К.Н., Каплунов Д.Р., Рыльникова М.В. Проблемы и перспективы развития ресурсосберегающих и ресурсовоспроизводящих геотехнологий комплексного освоения недр Земли // Новосибирск: Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2012. — № 4. — С. 116-124.

3. Рыльникова М.В, Радченко Д.Н., Экс В.В. Классификация техногенных георесурсов в свете перспектив комплексного освоения рудных месторождений // ГИАБ. — 2012. — № 2. — С. 318-324.

4. Каплунов Д.Р., Рыльникова М.В. Принципы проектирования и реализации горнотехнических систем с полным циклом освоения рудных месторождений/ Проблемы проектирования технологии подземной и комбинированной разработки рудных месторождений // ГИАБ. — 2013. — ОВ5. — С. 3-11.

5. Каплунов Д.Р., Рыльникова М.В, Радченко Д.Н. Проблема использования возобновляемых источников энергии в ходе разработки месторождений твердых полезных ископаемых. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2015. — №1. — С. 88-96.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Каплунов Давид Родионович — чл.-корр. РАН, ИПКОН РАН, Москва Рыльникова Марина Владимировна — д-р техн. наук, проф., ИПКОН РАН, Москва

UDC 622.271.3: 622.272

DESIGN OF FORMATION AND DEVELOPMENT OF MINING SYSTEMS WITH COMBINED GEOTECHNOLOGIES

Kaplunov David R., Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, Researching Institute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources Russian Academia of Sciences (IPKON RAS), Moscow

Rylnikova Marina V., Doctor of Engineering Sciences, Professor, Researching Institute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources Russian Academia of Science (IPKON RAS), Moscow

239

The most complete and comprehensive use of all georesources is only possible with a rational combination of technological processes and equipment of various mining methods. This is an essential principle of mineral resources comprehensive exploitation design. Geotechnologies combination is a necessary and sufficient condition of comprehensive exploitation and saving of mineral resources, which should not be the result of completion of mining operations, but mandatory postulate, which will be based on the practice of mine design and exploitation of mineral resources. An obligatory condition to achieve the required efficiency and comprehensiveness of complex material composition ores exploitation is the establishment in the basic version of the project to develop the mineral deposit of not so much borders, as conditions of transitions from one to another geotechnology in different combinations of its geotechnologic processes and early formation of technological capabilities of this transitions. Analysis and consideration of possibilities to maneuver of amounts involved in the exploitation of natural and man-made georesources with design of full cycle of comprehensive exploitation of mineral resources contributes to achieving the desired level of cost-effectiveness with lower production rates of commercial resources allowing to extend the period of reserves exploitation, the mining enterprise period of existence and in general to expand the mineral resource base of the country.

Key words: rational development, deposit, complex material composition ores, mining systems, combined geotechnology, comprehensive exploitation of mineral resources, waste management, man-made mineral resources.

References

1. Kaplunov D.R., Ryl'nikova M.V., Radchenko D.N. Mining Journal, 2013, no. 2, pp. 86-90.

2. Trubetskoy K.N., Kaplunov D.R., Ryl'nikova M.V. Journal of Mining Science, 2012, vol. 48, no. 4, pp. 688-693.

3. Ryl'nikova M.V., Radchenko D.N., Eks V.V. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2012, no. 2, pp. 318-324.

4. Kaplunov D.R., Ryl'nikova M.V. Mining Informational and Analytical Bulletin, Special Issue (Selected Papers): Problems of Geotechnology Design for Underground and Surface/Underground Ore Mining, 2013, no. 5, pp. 3-11.

5. Kaplunov D.R., Ryl'nikova M.V., Radchenko D.N. Journal of Mining Science, 2015, vol. 51, no. 1, pp. 11-117.

240