Скважинная гидродобыча рыхлых руд из глубокозалегающих железорудных месторождений КМА системой с массовым обрушением рудного массива

нологии, в которых у нас пока сохраняются приоритеты. ТЭГ с полным основанием может быть отнесена к таким направлениям в науках о Земле, развитие которой при соответствующих при-

оритетах со стороны государства, может «вытащить» геофизику, технологии нефтегазодобычи и переработки, некоторые направления горного дела и др. на мировой уровень. Настоящие срав-

нения показывают, что между ФХГ и ТЭГ в главном гораздо больше общего, чем различий. Это может служить хорошим базисом их приоритетного развития на основе взаимообогащения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аренс В.Ж. Скважинная добыча полезных ископаемых (геотехнология). - М.: Недра, 1986. - 297 с.

2. Аренс В.Ж. Физико-химическая геотехнология. -М.: МГГУ, 2001. - 656 с.

3. Вахитов Г.Г, Симкин ЭМ. Использование физических полей для извлечения нефти из пластов. - М.: Недра, 1985. - 231 с.

4. Вопросы нелинейной геофизики. - М.: ВНИИЯГГ, 1981. - 188 с.

5. Дыбленко В.П. и др. Повышение продуктивности и реанимации скважин с применением виброволнового воздействия. - М.: Недра, 2000. - 381 с.

6. Зыков В.А., Грунис Е.Б., Дроздов А.В. Техноэкогеофизика - новые эффективные технологии освоения, добычи и переработки минеральных ресурсов XXI века (методология, теория, приоритетные прикладные направления) // Республика Коми. Научно-техническая политика. - Сыктывкар, 1997. - С. 175-178.

7. Калинко М.К. Техногеология: актуальность и приоритетные направления развития // Советская геология. -1989, № 11. - С. 3-10.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------------

8. Кузнецов О.Л, Ефимова С.А. Применение ультразвука в нефтяной промышленности. - М.: Недра, 1983. -192 с.

9. Кузнецов О.Л, Симкин ЭМ. Преобразование и взаимодействие геофизических полей в литосфере. - М: Недра, 1990. - 269 с.

10. Кузнецов О.Л, Симкин ЭМ, Чилингар Дж. Физические основы вибрационного и акустического воздействия на нефтегазовые пласты. - М.: Мир, 2001. - 260 с.

11. Проблемы нелинейной сейсмики. - М.: Наука, 1987. - 288 с.

12. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. - М.: Недра, 1967. - 288 с.

13. Садовский М.А. Геофизика и физика взрыва. Избранные труды.- М.: Наука, 1999. - 335 с.

14. Техноэкогеофизика - новые технологии извлечения минерально-сырьевых ресурсов в XXI веке / Материалы I Всероссийской конференции-ярмарки / Под ред. акад. РАЕН О.Л. Кузнецова. - Ухта: УГТУ, 2002. - 256 с.

Зыков В.А. - профессор, кандидат технических наук, Ухтинский государственный технический университет.

© В.Л. Колибаба, Ф.Ф. Киреев, Е.А. Калиш, В.С. Ульяненко,

А.В. Пинчук, 2003

УАК 622.234.5

В.Л. Колибаба, Ф.Ф. Киреев, Е.А. Калиш, В.С. Ульяненко, А.В. Пинчук СКВАЖИННАЯ ГИАРОАОБЫЧА РЫХЛЫХ РУА ИЗ ГЛУБОКОЗАЛЕГАЮШИХ ЖЕЛЕЗОРУАНЫХ МЕСТОРОЖАЕНИЙ КМА СИСТЕМОЙ С МАССОВЫМ ОБРУШЕНИЕМ РУАНОГО МАССИВА

Применение способа скважинной гидродобычи

(СГД) выступает с техно-

логической точки зрения в качестве альтернативы только подземному способу отработки, т.к

освоение глубокозалегающих месторождений КМА принципиально возможна только этими двумя способами. Однако с более широких позиций, предполагающих повышение эффективности инвестиций в освоение железорудной базы, следует также рассматривать и варианты открытой отработки запасов сравнительно бедных руд, залегающих на относительно меньших глубинах.

В последнее время к перспективам освоения железных руд КМА, как не окисленных кварцитов, доступных для открытого способа отработки, так и глубо-козалегающих месторождений

богатых руд, проявляется повышенный интерес.

В течение 2002 г. институтом Центргипроруда выполнена переоценка шести железорудных месторождений КМА, в том числе двух, отрабатываемых открытым способом - Чернянское и Приос-кольское и четырех подземным способом - Гостищевское, Яков-левское, Висловское, Больше-троицкое. Все оцененные объекты при использовании традиционных способов добычи характеризуются низкими техникоэкономическими показателями, длительными сроками строительства и выхода на проектную мощность, большим периодом окупаемости капитальных вложений.

По рудникам с открытой добычей сроки строительства и выхода на полную проектную мощность очень велики - 13 до 15 лет (Приоскольский ГОК при производительности 20 и 35 млн. тонн по добыче) и 29 лет (Чернянский ГОК при производительности 46 млн. тонн). Для сооружения открытых рудников указанной производительности требуется соответственно от 692-925 до 1806 млн долл. капитальных вложений. Срок окупаемости капитальных вложений составляет от 20 до 30 лет.

Для подземных рудников срок строительства и выхода на проектную мощность составляет 1113 лет. При подземном способе отработки капитальные вложения при производительности 2.5-

4.5 млн т/год составляют 146235 млн долл. Окупаемость капитальных вложений равна 20-25 лет.

Согласно выполненным расчетам, срок строительства рудника СГД аналогичной производительности не превысит 3-5 лет при капитальных вложениях около 70 млн долл. и сроке их окупаемости в течение 4-5 лет.

При подземном способе отработки крупных месторождений запасы руд вскрываются стволами шахт на нескольких горизонтах и дальнейшее развитие горно-добычных работ идет, в основном, в горизонтальной плоскости. В отличие от указанной традиционной технологии, при

скважинной технологии гидродобычи предусматривается вскрытие и отработка запасов через скважины на всю мощность рудных залежей, что позволяет непосредственно оконтурить скважинами отдельные блоки. Поэтому и отработку месторождения при СГД следует предусматривать отдельными блоками. Размеры этих блоков определяются производительностью, как отдельных участков (модулей), так и в целом горнодобывающего предприятия, а также планируемым сроком его существования.

При крупномасштабном освоении богатых рыхлых руд КМА предлагается разработать и использовать горно-технологические МОДУЛИ, каждый из которых представляет собой типовой комплекс зданий, сооружений и оборудования для обеспечения объема годовой добычи железных руд на уровне 1 млн т. После создания 1-го модуля, наращивание мощности горно-добычного предприятия СГД до требуемых масштабов целесообразно осуществлять за счет ввода в действие дополнительных модулей, строительство которых осуществляется за счет использования прибыли, получаемой на ранее введенных в эксплуатацию объектах, то есть использовать самофинансирование строительства без привлечения других инвестиций.

При добыче железной руды через скважины, последние являются основным звеном в техническом оснащении горнодобывающего предприятия. Удельный вес затрат на строительство предприятия связан с бурением и оборудованием скважин и достигает 60%. Основным параметром, определяющим конструкцию добычной скважины, является ее производительность, водоподающей - приемистость, многоцелевых - возможность проведения комплекса наблюдательных и геофизических работ.

По технико-экономическим показателям способ скважинной гидродобычи значительно эффективнее традиционных способов добычи руд: себестоимость тонны руды ниже в 2 раза, капитальные затраты 2,5 раза.

За счет внедрения нового способа добычи руд снизятся в среднесрочном и долгосрочном прогнозе соответственно: удельная материалоемкость с 40 руб/т до 15 и 12 руб/т; удельная энергоемкость с 45 кВтч/т до 40 и 35 кВтч/т.; удельная топливоем-кость с 4 кг у.т./т до 2 и 2 гк у.т./т; удельная трудоемкость, выработка на 1 трудящегося повысится с 450 до 1200 и 1500 руб. Рентабельность производимой товарной продукции повысится с 6% до 60 %.

Добыча богатой руды через скважины имеет экологические преимущества по сравнению с традиционными способами добычи: она практически безотходна, не нарушает режимов подземных и поверхностных вод, не требует больших отводов земли для размещения горнорудного предприятия, отсутствуют шламохрани-лища и отвалы горных пород, высокая безопасность добычных работ, так как люди не работают под землей.

Богатые руды представляют собой по существу природные концентраты , с высоким содержанием железа (62-68 %) и

весьма чистые по примесям (кремнезем — 1-1,4 %, фосфор — 0,1 %, глинозем — менее 0,5 %, сера — менее 0,05 %). При этом относительное содержание железа в рыхлых рудах всегда на 37 % выше, чем в крепких. По химическому и гранулометрическому составу эти руды превосходят известную индийскую «голубую пыль», считающуюся одной из лучших в мире, особенно для целей прямого получения железа. Поэтому богатые железные руды КМА представляют исключительный интерес исходя не только из отечественной, но и мировой конъюнктуры.

На месторождениях Белгородского железорудного района выделено 36 участков, перспективных для промышленного освоения комбинированным способом скважинной гидродобычи и подземными работами. К первоочередным отнесены 7 участков, выделенных в пределах Шемраев-ского, Яковлевского и Гостищев-ского месторождений, запасы которых детально разведаны по

Участок Запасы (млн. тонн) Содержание Мощность залежи (м.) Глубина залега-

Общие в т.ч. рыклык железа

Гостищевское месторождение Крюковский 1 301 91 62,7 148 45 370—450

Крюковский 2 293 101 62,6 150 52 390—480

Южный 1 28 238 63,5 200 111 537—550

Южный 2 375 134 63,0 145 52 543—600

Яковлевское месторождение Яковлевский 1 290 133 63,0 139 65 500—550

Яковлевский 2 305 138 63,5 166 75 480—500

Шемраевское месторождение Шемраевский 394 148 64,5 290 109 450—500

промышленным категориям

(В+С1) и которые характеризуются оптимальным сочетанием факторов для поэтапного их освоения. Основные параметры этих объектов приведены в таблице. В мире все большее развитие получает производство ме-таллизованных брикетов, используемых в металлургии. Технология прямого получения железа предъявляет высокие требования к качеству железорудного сырья. Так, содержание БЮ2 в руде должно составлять не более 3 %. Качество руды СГД с точки зрения требований технологии «металлизация — электроплавка» значительно превосходит железорудные концентраты из магне-титовых кварцитов. Так, содержание пустой породы в руде СГД составляет менее 2 % против 3-

3,5 % в Лебединском магнетито-вом концентрате и соответственно 2,5-4 % против 5-5,5 % в ме-таллизованном сырье.

Проектирование рудников по этапам поддержания мощности имеет свои особенности. Работа рудника от начала строительства до момента исчерпания всех предназначенных к отработке запасов руды должна освещаться рядом последовательно составленных этапов — проектов, количество которых зависит в общем случае, от общей продолжительности разработки месторождения.

В соответствии со СН202-81 проектирования нового предприятия, строительство которого будет осуществляться по очередям, должно начинаться с разработки основных проектных решений, необходимых для составления схемы генерального плана, которые включаются в состав проекта на строительство первой оче-

реди. Проекты на строительство последующих очередей разрабатываются на основе схемы генерального плана на полное развитие предприятия.

В основе проектных решений должны быть освещены вопросы, характеризующие (первоочередную) технологическую схему (добычи) и параметры системы разработки и ориентировочные сроки перехода на новые технологические схемы.

В рамках укрупненных решений выделяется расчетный период работы рудника с продолжительностью от момента достижения проектной мощности не менее 5 лет, с тем, чтобы общая продолжительность этапа существования рудника (от начала строительства до конца расчетного периода) не превышала 1215 лет. В конкретных условиях продолжительность расчетного периода может уточняться. Существенное увеличение длительности расчетного периода представляется нецелесообразным ввиду относительно невысокой достоверности оценки горнотехнических и технико-экономических показателей работы рудника. За более длительный период неизбежно изменение, зачастую коренное, таких факторов, как: потребности в железорудном сырье и попутно добываемых компонентов, кондиций на руду, технико-экономических параметров основного и вспомогательного оборудования, оптовых цен на товарную продукцию горнодобывающего предприятия, общих тенденций развития техники и технологии и изменении представлений о рациональном применении той или иной технологической схемы разработки.

В проектах соответствующих очередей строительства рудника детально прорабатываются технические решения на период строительства и наращивания мощности и наращивания мощности и расчетный период работы, включая календарный план горных работ, параметры системы и технологическую схему разработки до конца расчетного периода.

В основу обоснования комбинированного способа нами положены принципы пространственно-временного сочетания скважинной гидродобычи с поверхности и подземной разработки в пределах одного месторождения. Такой способ имеет значительные преимущества: в максимальной степени интенсифицируется отработка месторождения на первой стадии разработки; становится экономически выгодной отработка многих месторождений, которые отрабатывать только подземным или только открытым способом нецелесообразно; возможно в более короткий срок, чем при подземных работах, развить значительную производительность рудника; обеспечивается извлечение наиболее богатой части руд на первой стадии отработки; существенно улучшаются техникоэкономические результаты разработки; значительно повышается эффективность капитальных вложений.

Расчеты показывают, что использование новых технических решений при разработке месторождений богатых железных руд КМА позволяет удовлетворить общественные потребности в железорудном сырье на уровне современных, сократив выемку горной массы из недр в 5-7 раз.

Применение этого метода добычи позволяет получить сырую руду с содержанием железа свыше 67%, что более, чем в два раза выше, чем по основным предприятиям. Выход товарной продукции (в пересчете на металл) из одной т руды оценивается в 0,62 т, то есть для получения одной тонны металла необходимо добыть 1,7 т руды. Этот показатель почти в три раза ниже, чем по основным эксплуатирующимся месторождениям России и в полтора раза ниже, чем в целом по добываемой руде в мире. Эксплуатационные затраты на добычу природного концентрата КМА методом СГД в 2-2,5 раза ниже затрат при традиционных способах добычи и рудоподготовки на действующих предприятиях. Это позволит при достаточно высокой рентабельности поддерживать конкурентоспособность российской железорудной продукции на мировом рынке.

На территории России железорудные ресурсы распределены неравномерно и имеют различное промышленное значение. Как отмечается, между регионами имеются значительные диспропорции между производством железорудного сырья и конечной металлопродукцией (чугуном). В этом отношении весьма показа -тельны характеристики, из которых следует, что в Центральном регионе производится 55.7 % сырья и 24.0 % чугуна, в то время как на Урале эти цифры практически диаметрально противоположны - 13.8 % сырья и 43.2 % чугуна. Избыток производства сырья в Центральном регионе идет на удовлетворение потребности других регионов страны, прежде всего Урала, а также в довольно значительных (11-16 млн т/год) количествах на экс-

порт. Именно поэтому, по нашему мнению, при разработке ТЭО по месторождениям КМА следовало ориентироваться на металлургические заводы расположенные не в европейской части страны, а на Урале и в Сибири.

При рассмотрении «Схемы развития и размещения черной металлургии Российской Федерации на период до 2000 г. и проекта Национальной программы технического перевооружения и развития металлургии России Главгосэкспертиза России (заключение № 2—1/5—23 от

17.06.1993 г.) отметила, что на территории КМА имеются запасы более 60 млрд т богатых руд с 61-68 % железа и низким содержанием кремнезема, серы, фосфора и цветных металлов. Добыча этих руд, залегающих на глубине 400-1000 м, традиционными методами мало эффективна. Разработанный ВИМСом способ скважинной гидродобычи позволит осуществить извлечение из недр наиболее богатой части указанных руд с сохранением возможности последующей доработки остающихся запасов обычным подземным способом.

Добыча богатой руды способом СГД имеет ряд экологических преимуществ по сравнению с обычными методами добычи: она является практически безотходной, не нарушает режим подземных и поверхностных вод и не требует больших отводов земли для размещения горнорудного предприятия.

В связи с этим Главэкспертиза России считает целесообразным включить в Национальную программу создание разведочноэксплуатационного предприятия по добыче 3-5 млн т в год богатой руды КМА способом СГД.

Идея освоения богатых руд КМА способом СГД была в 1994 г. поддержана Комитетом по природным ресурсам и природопользованию Государственной Думы. Департамент природных ресурсов по Центральному региону МПР РФ рассмотрел состояние и перспективу развития технологии скважинной гидродобычи богатых железных руд и принял решение о продолжении опытно-методических работ на Шемраевской залежи. Однако до настоящего времени работы не возобновлены из-за отсутствия средств.

Учитывая особую значимость железорудного района КМА для металлургии России, следует считать целесообразным создание системы классификационного учета наличия и распределения запасов железорудного сырья, рассчитанного на систематический учет известных запасов на КМА, в соответствии с их технологией добычи, экономикой и наличием на рынке.

Для установления основных запасов железа следует оценить вероятность промышленной разработки месторождения, определить объем каждого месторождения (в тоннах) умножив его на процент содержания железа. Важно знать время, необходимое для развития месторождения, капитальные затраты, необходимость дальнейшей разведки, применяемого способа и системы разработки, необходимого объема дополнительных работ по созданию инфраструктуры.

Эта система будет ценным подспорьем для анализа политики при выдаче лицензий, привлечения инвестиций, решения задач снабжения металлургических предприятий железорудным

сырьем высокого качества.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------------------------------------------------

Колибаба В.Л. - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, ВИМС.

Киреев Ф.Ф. - ведущий научный сотрудник, кандидат экономических наук, ВИМС.

Калиш Е.А. - ст. научный сотрудник, ВИМС.

Ульяненко В.С. - ст. научный сотрудник, ВИМС.

Пинчук А.В. - зам. начальника отдела Министерства промышленности науки и технологии РФ.