Применение наилучших доступных технологий для освоения сложноструктурных месторождений в районах с особым экологическим режимом

УДК 622.271.622:

ПРИМЕНЕНИЕ НАИЛУЧШИХ ДОСТУПНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ОСВОЕНИЯ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В РАЙОНАХ С ОСОБЫМ ЭКОЛОГИЧЕСКИМ РЕЖИМОМ

Е.Е. Швабенланд

На примере Ошурковского сложноструктурного месторождения показано, что технология послойно-порционной выемки руды и методика разделения потока горной массы на основе радиометрического экспресс-метода позволяют повысить полноту извлечения полезного ископаемого из недр, снизить потери и разубоживание добываемого сырья, существенно уменьшить вредное воздействие горных работ на окружающую среду и сократить эксплуатационные затраты горного производства.

Ключевые слова: апатит, сложноструктурное месторождение, карьер, разу-боживание руды, потери при добыче, повышение извлечения, рентгенорадиометриче-ская сортировка.

Применение наилучших доступных технологий добычи для сокращения потерь и разубоживания руды, осуществления оперативного контроля над качеством рудной массы в потоке, ведения достоверного учета движения рудной массы по складам и объемов отгрузки готового продукта потребителю - являются важнейшими задачами горного производства и рационального и комплексного использования недр. Однако с самыми большими трудностями сталкиваются недропользователи, когда месторождение расположено в регионе с особым экологическим режимом, где запрещено ведение буровзрывных работ или иных работ, связанных с пыле- и газовыделением.

В качестве примера применения новых энерго- и ресурсосберегающих технологий освоения сложноструктурных месторождений в регионе с особым экологическим режимом можно привести Ошурковское апатитовое месторождение в Бурятии, расположенное в бассейне р. Селенги, впадающей в оз. Байкал.

Апатитовая минерализация месторождения приурочена к сиенит-диоритам, занимающим около 87 % площади, и представлена рудными телами размером от 50*50 до 200*800 м. Практически всю остальную площадь месторождения занимают пустые породы. Содержание полезного компонента - пентаоксида фосфора Р2О5 - в среднем по месторождению составляет 3,89 %, в кондиционных рудах - 4,37 % при бортовом содержании 3,5 %. Апатит в массиве распространен повсеместно и неравномерно. Участки кондиционных и некондиционных апатитовых руд образуют сплошные рудно-породные зоны различных форм, размеров и структур. Видимая граница между ними и апатитовыми рудами отсутствует. Соотношение кондиционных и некондиционных руд определяется коэффици-

ентом рудоносности Круд, который в среднем по месторождению равен 0,68 [1, 2].

Месторождение «Ошурковское» обладает следующими особенностями (рис. 1) [3]:

- размещение в регионе с особым экологическим режимом;

- отсутствие видимых границ между пустой породой, некондиционной и кондиционной рудой;

- бессистемное чередование в рудных зонах участков пустой породы и некондиционной руды, в породных зонах - наличие участков кондиционной руды;

- неравномерное распределение и низкое содержание полезного компонента в массиве;

- относительно небольшое различие кондиционного и некондиционного полезного ископаемого по содержанию Р2О5;

- невозможность прямого оперативного измерения содержания Р2О5 в разрабатываемом массиве.

Рис. 1. Распределение апатита в массиве Ошурковского

месторождения: I - кондиционная апатитовая руда с содержанием РгО5>4,5 %;

II - кондиционная апатитовая руда с содержанием 3,9 %>Р2О5>3,5 %;

III - некондиционная руда с содержанием Р2О5<3,5 %;

IV - безрудные дайки

Учитывая, кроме прочих особенностей, наличие экологических ограничений при разработке Ошурковского месторождения, не позволяющих осуществлять разработку месторождения с применением буровзрывных работ (БВР) и механического дробления руды [4], обосновано использование безвзрывной технологии с использованием фрезерных комбайнов БЫ, получивших большое распространение.

Принцип действия комбайнов заключается во фрезеровании массива пород слоями фиксированной ширины и изменяемой глубины с одновременным формированием потока отбитой горной массы управляемого

гранулометрического состава, отгружаемой в автосамосвалы, на конвейер или в штабель [5]. Такую технологию называют послойно-полосной. При этом фрезерные комбайны позволяют без предварительного рыхления разрабатывать породы с пределом прочности на сжатие до 120 МПа [6].

Технология разработки месторождения фрезерными комбайнами предусматривает выемку горной массы:

- слоями из отдельных примыкающих друг к другу выемочных полос без оставления породных целиков между ними (вплотную);

- непрерывно по всей выемочной полосе без оставления участков, выемка которых по качественным характеристикам нецелесообразна (валовая выемка);

- количественные и качественные потери полезного ископаемого происходят в зонах смешивания на границе «руда - вмещающие породы».

Очевидно, что главным недостатком указанной технологии в условиях Ошурковского месторождения является неконтролируемая валовая выемка горной массы, при которой произойдет перемешивание кондиционной, некондиционной руды и пустой породы с усреднением содержания ценного компонента в рудном потоке, что приведет к дополнительным потерям полезного ископаемого из-за его разубоживания.

Для устранения этого недостатка в условиях Ошурковского месторождения требуется разработка дополнительных технических решений и приемов управления качественными характеристиками рудного потока.

С использованием 3Б-модели определен порядок и последовательность развития горных работ в пределах карьерного поля и обозначены приоритетные участки интенсификации выемки рудной массы (рис. 2). Гибкое управление объемами отбиваемой рудной массы в той или иной зоне оруденения (выемочном модуле) позволяет получать требуемые усредненные показатели качества отбиваемой рудной массы [7].

Рис. 2. Схема развития горных работ в зависимости от распределения ценного компонента в массиве: 1 - зоны с наибольшим содержанием полезного компонента; 2 - 5 - зоны с постепенно снижающимся содержанием полезного компонента

Также моделированием установлено, что при разработке сложно-структурного апатитового месторождения с использованием фрезерных комбайнов количество зон смешивания на границе «руда - вмещающие породы» зависит от коэффициента рудоносности (рис. 3).

Насыщенность массива

рудными участками

Средний коэффициент рудоносности, % 10 45 85 45 10

Количество зон смешивания, шт./1000 т 2,8 7,4 3,5, 7,4 2,8

Рис. 3. Схема деления выемочного модуля на рудную (1), рудно-породную (2) и породную (3) зоны в зависимости от коэффициента рудоносности

Полученные результаты показывают, что при последовательной отработке природно-технологических зон (выемочных модулей) месторождения послойно-порционной технологией выемки появляется возможность управления полнотой выемки (таблица).

Сравнение способов выемки полезного ископаемого с использованием фрезерных комбайнов

Способ выемки Природно-технологические зоны Потери

Рудная Рудно-породная Породная % тыс. т/год

Послойно-полосовая Валовая Селективная Валовая 7,2 412

Послойно-порционная Валовая Селективная Селективная 3,0 180

Однако основной проблемой является придание рудному потоку «управляемости», что может быть обеспечено его формированием из отдельных порций рудной массы уже в процессе транспортирования. Для этого необходимо определить рациональный размер выемочной порции рудной массы, равной в рассматриваемом случае грузоподъемности

автосамосвала, разработать способ контроля качественных характеристик каждой порции рудной массы, загруженной в автосамосвалы, и на этой основе - методику управления качественными характеристиками потока рудной массы.

Размер вынимаемой порции определен методом статистического анализа размеров включений породных участков в рудные зоны, а рудных участков - в породные зоны. Установлено, что ширина фрезерования, как и глубина, не влияют на качество рудной массы, загруженное в автосамосвал [8], минимальное разубоживание, принятое в качестве критерия оценки, достигается при формировании грузопотока «порциями» массой 30 т.

Способ контроля качественных характеристик каждой порции рудной массы, загруженной в автосамосвалы, разработан на основе накопленного опыта крупно-порционной сортировки рудной массы при разработке месторождений различных полезных ископаемых [9]. Из рассмотренных промышленных способов контроля качества добываемой рудной массы (авторадиометрический, фотонейтронный, нейтронно-активационный и др.) к реализации в условиях Ошурковского месторождения был принят рентгенорадиометрический способ, основанный на измерении потока характеристического гамма-излучения, наведенного в измеряемой порции горной массы с помощью радиометрического контрольно-измерительного комплекса. При этом учитывалось, что определение содержания Р2О5 возможно лишь косвенным методом по выбранному элементу-спутнику, который является индикатором полезного компонента и находится с ним в тесной корреляционной взаимосвязи. По содержанию этого элемента-спутника можно определить содержание полезного компонента в анализируемой порции горной массы (рис. 4).

Принцип определения содержания Р2О5 с помощью радиометрического контрольно-измерительного комплекса заключается в следующем. Радиометрический контрольно-измерительный комплекс размещается на радиометрической контрольной станции (РКС). При движении через РКС груженого автосамосвала поверхность содержащейся в кузове рудной массы несколько раз обрабатывается рентгеновскими лучами заданной мощности с помощью излучающего блока комплекса. Возникшее под их воздействием в элементе-индикаторе (элементе-спутнике) вторичное (характеристическое) излучение измеряется, и по его интенсивности с помощью полученной зависимости (рис. 4) рассчитывается содержание Р2О5 в порции рудной массы. Недостаток такого определения качественных характеристик горной массы в груженом автосамосвале - вывод делается на основе измерения содержания в поверхностном слое горной массы и его последующего распространения на весь объем.

Для Ошурковского месторождения достоверность результатов имеет большое значение. Применительно к этому месторождению разработан метод измерения содержания Р2О5 во всем объеме порции рудной массы,

загруженной в автосамосвал фрезерным комбайном. Для этого предложено установить радиометрический контрольно-измерительный комплекс непосредственно над разгрузочным конвейером фрезерного комбайна на высоте 500 - 700 мм от поверхности движущейся горной массы.

Среднее содержание элемента-спутника, 10"4 %

Рис. 4. График зависимости содержания Р2О5 от содержания

элемента-спутника

В процессе загрузки автосамосвала выполняются не менее 60 измерений, по которым рассчитывается среднее содержание Р2О5 в загружаемой горной массе, после чего самосвал получает адрес разгрузки. Добытая масса со средним содержанием полезного компонента выше промышленного отгружается на склад обогатительной фабрики, со средним содержанием выше бортового, но меньше промышленного - на временный склад для последующего предварительного обогащения, а с содержанием ниже бортового - в отвал (рис. 5).

Таким образом, обеспечивается возможность разделения грузопотока извлеченной горной массы на порции, из которых формируются элементарные грузопотоки с заданными качественными характеристиками [10].

Рис. 5. Схема формирования грузопотоков с заданными качественными характеристиками: Круд - коэффициент рудоносности;

Сср, Спром, Сборт - соответственно среднее, промышленное и бортовое содержание полезного компонента

Данные, полученные на примере Ошурковского сложноструктурно-го месторождения, показывают, что технология послойно-порционной выемки руды и методика разделения потока горной массы на основе радиометрического экспресс-метода позволяют повысить полноту извлечения полезного ископаемого из недр на 15 % (значения коэффициентов извлечения из недр апатитовой руды без предварительной сортировки и с применением радиометрического способа сортировки составят 0,87 и 1,02 % соответственно), снизить потери полезного ископаемого в 2 раза (7,2 и 3,0 % соответственно), существенно уменьшить вредное воздействие на окружающую среду и более чем на 30 % сократить эксплуатационные затраты горного производства, а возможность интенсифицировать горные работы в зонах оруденения с наибольшим содержанием ценного компонента позволяет максимизировать формируемый положительный денежный поток от реализации товарной продукции и создать условия для снижения срока окупаемости проекта.

Список литературы

1. Швабенланд Е. Е. Управление грузопотоками при послойно-порционной разработке сложноструктурных месторождений комбайнами фрезерного типа // Рациональное освоение недр. 2015. № 3. С. 70 - 75.

2. Швабенланд Е.Е., Соколовский А.В., Пихлер М. Выбор параметров послойно-порционной технологии при разработке сложноструктурных месторождений комбайнами фрезерного типа // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. Новосибирск, 2016. № 2. С. 80 - 87.

3. Швабенланд Е.Е. Применение послойно-порционной технологии добычи руды с использованием фрезерных комбайнов для рационального и комплексного освоения недр // Разведка и охрана недр. 2017. №1. С. 38 - 42.

4. Викулов В. Е., Ширапова С. Д. Эколого-экономические экспертизы технических проектов освоения Ошурковского месторождения // Вестник БГУ. 2012. Вып. 4. С. 36 - 40.

5. Ордин А. А., Швабенланд Е.Е. Обоснование параметров технологии открытого способа добычи апатитового сырья фрезерными комбайнами // ФТПРПИ. 2016. № 2. С. 80 - 88.

6. Final report on applicability of surface miner in nongtrai limestone mine of Lafarge Umiam Mining Pvt. Ltd in Meghalaya, India: Technical information brochure / A. K. Ghosh, Dr. S. K. Mondal, S. K. Singh, Dr. A. Sinha. - Central Institute of Mining & Fuel Research [Council of Scientific and Industrial Research], Department of Science & Technology, Government of India. July, 2010 [Электронный ресурс]. URL: http://lumpl.com/pdf/surface miner report.pdf.

7. Перспективы применения безвзрывных технологий разработки массивов горных пород на месторождениях полезных ископаемых Урала и Сибири / В. И. Ческидов [и др.] // Безвзрывные технологии открытой добычи твердых полезных ископаемых. Новосибирск: Изд-во СО РАН. 2007. C. 302 -317.

8. Федотенко В. С., Швабенланд Е. Е. Технологические параметры безвзрывной открытой геотехнологии отработки сложноструктурных месторождений с использованием комбайновой выемки // Сб. науч. тр. по результатам междунар. конф. Магнитогорск: МГТУ, 2019. С. 175 - 182.

9. Еремин А. М. Научное обоснование возможности предварительного обогащения золотосульфидных руд и разработка технологии рентгенора-диометрической сортировки (на примере месторождения Кокпатас): автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 2010. 32 с.

10. Рыльникова М. В., Швабенланд Е.Е. Особенности управления качеством рудной массы при разработке сложноструктурных месторождений апатитовых руд с применением комбайновой выемки // Рациональное освоение недр. 2019. № 2 - 3. С. 80 - 86.

Швабенланд Елена Егоровна, науч. сотр., shvabenland@vims-geo.ru, Россия, Москва, Институт проблем комплексного освоения недр Российской академии наук

APPLYING THE BEST AVAILABLE TECHNOLOGY FOR THE DEVELOPMENT OF COMPLEX DEPOSITS IN AREAS WITH SPECIAL ECOLOGICAL REGIME

E.E. Shvabenland

For example complex structure apatite deposit calculations have shown that the technology layer-by-layer-portion of the ore and method of dividing flow of the rock mass on the basis of radiometric rapid method allows to increase the completeness of extraction of minerals from subsoil to reduce losses and dilution of extracted raw materials, significantly reduce the harmful effects of mining operations on the environment and reduce operating costs of mining.

Key words: Apatite, complex structural deposit, open pit mine, surface miner, dilution, ore losses during extraction, the increase in the extraction of, x-ray radiometric sorting.

Shvabenland Elena Egorovna, researcher, shvabenland@yims-geo.ru, Russia, Moscow, Institute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources Russian Academy of Science

Reference

1. Shvabenland E. E. management of cargo flows during layer-by-layer development of complex-structured deposits by milling combines // Rational development of subsoil. 2015. No. 3. Pp. 70-75.

2. Shvabenland E. E., Sokolovsky A.V., Pichler M. Choice of parameters of layer-by-layer technology in the development of complex-structured fields with milling combines // Bulletin of Magnitogorsk state technical University. G. I. Nosova. Novosibirsk, 2016. No. 2. Pp. 80-87.

3. Shvabenland E. E. Application of layer-by-layer technology of ore extraction using milling combines for rational and complex development of the subsoil // Exploration and protection of the subsoil. 2017. No. 1. Pp. 38-42.

4. Vikulov V. E., S. D. Sharapova Ekologo-economic examination of the technical development projects Ogurkowska fields // Vestnik BSU. 2012. Vol. 4. Pp. 36-40.

5. Ordin A. A., Shvabenland E. E. Substantiation of the parameters of the technology of the open method of extraction of Apatite raw materials by milling combines // ftprpi. 2016. No. 2. Pp. 80-88.

6. Final report on the applicability of surface miner in nongtrai limestone mine of Lafarge Umiam Mining Pvt. Ltd in Meghalaya, India: Technical infor-mation brochure / A. K. Ghosh, Dr. S. K. Mondal, S. K. Singh, Dr. A. Sinha. - Central Institute of Mining & Fuel Research [Council of Scientific and Industrial Research], Department of Science & Technology, Government of India. July, 2010. - URL: http://lumpl.com/pdf/surface_miner_report.pdf.

7. Prospects for the use of non-explosive technologies for the development of rock masses in the mineral deposits of the Urals and Siberia / V. I. Cheskidov [et al.] // nonExplosive technologies for open mining of solid minerals. Novosibirsk: publishing house of SB RAS. 2007. C. 302-317.

8. Fedotenko V. S., Shvabenland E. E. Technological parameters of non-explosive open Geotechnology for working out complex structural structures using a combine excava-

tion // SB. nauch. tr. according to the results of the international competition. Conf.: Magnitogorsk. MGTU. 2019. Pp. 175-182.

9. Eremin a.m. Scientific substantiation of the possibility of pre-enrichment of gold sulfide ores and development of x-ray radiometric sorting technology (on the example of the Kokpatas Deposit): autoref. dis. ... kand. Techn. sciences'. M.: Of Vnipipromtechnologii, 2010. 32 p.

10. Rylnikova M. V., Shvabenland E. E. Features of ore mass quality management in the development of complex-structured deposits of Apatite ores using combine dredging // Rational development of the subsoil. 2019. № 2-3. Pp. 80-86.