Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование параметров комбинированной разработки месторождений медно-колчеданных руд с утилизацией отходов обогащения в выработанном пространстве карьера

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров комбинированной разработки месторождений медно-колчеданных руд с утилизацией отходов обогащения в выработанном пространстве карьера"

На правах рукописи

ООЬО!)'0*'-'

АХМЕДЬЯНОВ ИЛЬЯС ХАРИСОВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОМБИНИРОВАННОЙ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ МЕДНО-КОЛЧЕДАННЫХ РУД С УТИЛИЗАЦИЕЙ ОТХОДОВ ОБОГАЩЕНИЯ В ВЫРАБОТАННОМ ПРОСТРАНСТВЕ КАРЬЕРА

Специальности

25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)», 25.00.21 - «Теоретические основы проектирования горнотехнических

систем»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

18 АПР 2013

Магнитогорск 2013

005057633

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Рыльникова Марина Владимировна

Официальные оппоненты: Савич Игорь Николаевич

доктор технических наук, профессор кафедры технологии подземной разработки рудных и нерудных месторождений ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет», г. Москва.

Пыталев Иван Алексеевич

кандидат технических наук, доцент кафедры промышленного транспорта ФГБОУ ВПО «МГТУ», г. Магнитогорск.

Ведущая организация: Институт горного дела Уральского от-

деления Российской академии наук(ИГД УрО РАН), г. Екатеринбург.

Защита диссертации состоится «25» апреля 2013 г. в 14:00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.111.02 при ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу 455000, Челябинская обл., г. Магнитогорск, пр. Ленина, д. 38, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Автореферат разослан «23» марта 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ¡¿С.о^^-'!/-'1'^1'^^ Корнилов Сергей Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Рациональное использование недр основывается на повышении эффективности комплексной добычи полезных компонентов сочетанием различных способов добычи и утилизации отходов горно-обогатительного производств. Обзор опыта комбинированной разработки месторождений и использования техногенного сырья свидетельствует, что при разработке только 15% рудных месторождений проектами предусмотрено какое-либо использование отходов добычи и переработки руд. При этом в стратегии развития региональной сырьевой базы утилизация техногенного сырья все более утверждается в качестве важного компонента минерально-сырьевого баланса и является неотъемлемой составляющей инновационных технологий приоритетного направления «Рациональное природопользование».

Комплексный подход к освоению недр и использованию техногенных георесурсов предполагает учет, при обосновании параметров комбинированной геотехнологии, перспективы целенаправленного формирования в выработанном пространстве карьеров и шахт из отходов добычи и переработки руд техногенных месторождений с заданными характеристиками структуры и вещественного состава для обеспечения возможности эффективной эксплуатации техногенного сырья в ближайшей, либо отдаленной перспективе.

Поэтому обоснование параметров комбинированной разработки медно-колчеданных руд с утилизации отходов их переработки в выработанном пространстве карьеров представляет весьма актуальную научно-практическую задачу.

Целью работы является повышение эффективности комплексного освоения месторождений медно-колчеданных руд на базе проектного обоснования параметров комбинированной геотехнологии с утилизацией отходов обогащения в выработанном пространстве карьеров.

Идея работы заключается в повышении эффективности освоения рудных месторождений комбинированной геотехнологией за счет учета при проектном обосновании предельной глубины карьера специфики и параметров технологии утилизации в его выработанном пространстве отходов обогащения руд с установленными характеристиками формируемого техногенного массива.

Задачи исследований:

- анализ и обобщение опыта и методик расчета параметров комбинированной геотехнологии с утилизацией техногенного сырья, исследование особенностей вещественного состава и структурных характеристик техногенных образований, сопутствующих разработке месторождений медно-колчеданных руд;

- факторный анализ инновационных технологий утилизации отходов в выработанном пространстве рудников и обоснование условий формирования техногенных массивов с локальным распределением качества сырья;

- исследование закономерностей формирования геометрических параметров техногенных образований в зависимости от физико-механических характеристик техногенного массива;

- учет перспективы складирования в карьер отходов переработки руд подземного рудника при обосновании рациональной глубины перехода с открытых горных работ к подземным;

- разработка методики обоснования параметров комбинированной геотехнологии

с утилизацией в выработанном пространстве карьера техногенного сырья с различными характеристиками вещественного состава;

- разработка технологических рекомендаций по утилизации отходов обогащения руд в выработанном пространстве Учалинского карьера.

Для решения поставленных задач в качестве объекта исследований выбрана комбинированная геотехнология с утилизацией техногенного сырья в выработанном пространстве карьера (ВПК) при комплексном освоении медно-колчеданных месторождений.

Методы исследований:

В работе использован комплексный метод исследований, включающий анализ вещественного состава и структурных характеристик отходов обогащения медно-колчеданных руд, физическое и экономико-математическое моделирование, статистическую обработку результатов исследований и технико-экономический анализ.

В качестве методологической основы исследований в работе заложен принцип комплексного освоения участка недр в полном геотехнологическом цикле, предусматривающем складирование отходов обогащения руд в выработанном пространстве карьера для обеспечения возможности последующего вовлечения техногенного сырья в эффективную промышленную эксплуатацию.

Положения, выносимые на защиту:

1. При комбинированной разработке рудных месторождений складирование в выработанном пространстве карьера отходов обогащения руд подземной добычи ведет к снижению проектной глубины карьера.

2. Для месторождений медно-колчеданных руд выдержанной мощности, отрабатываемых системой с твердеющей закладкой, учет перспективы складирования хвостов обогащения руд в ВПК уменьшает его глубину на малых месторождениях - на 90-110 м, средних - на 50-70м, крупных - на 20-30м при росте совокупного дохода от освоения месторождения на 12 —20%.

3. Выбор направления использования техногенного сырья и технологий его подготовки к утилизации, транспортирования и складирования в выработанное пространство карьера зависит от стабильности, либо изменчивости вещественного состава отходов обогащения руд и их ресурсной ценности.

4. Утилизация хвостов обогащения в выработанном пространстве карьера эффективна при их обезвоживании до влажности менее 30% и селективном размещении сырья различного качества для использования, как в средней, так и в долгосрочной перспективе.

Научная новизна работы:

1. Классификация технологических схем утилизации отходов обогащения медно-колчеданных руд различного качества с учетом условий их локального размещения в выработанном пространстве рудников.

2. Закономерности формирования локальных сегментов техногенных образований из отходов обогащения руд различного качества и, с учетом этого, мест расположения прудков отстоя воды в ВПК.

3. Методика выбора параметров технологии утилизации отходов обогащения руд для формирования локальных участков техногенного образования с заданным качеством сырья, включающая графоаналитический метод расчета объемов и количества районированных участков техногенного сырья различного качества,

учитывающая результаты экспериментальных исследований параметров техногенного массива в выработанном пространстве карьера.

4. Методика обоснования параметров комбинированной открыто-подземной геотехнологии разработки крутопадающих медно-колчеданных месторождений выдержанной мощности, базирующаяся на определении рациональной глубины перехода от открытых горных работ к подземным с учетом перспектив утилизации хвостов обогащения руд в карьере.

Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечивается надежностью и представительностью исходных данных; адекватностью разработанной имитационной модели условиям функционирования горнотехнических систем комплексного освоения рудных месторождений комбинированными геотехнологиями; использованием современного оборудования и апробированных методик и подтверждается сопоставимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, обработанных методами математической статистики.

Практическая значимость работы состоит в разработке и обосновании параметров технологии утилизации техногенного сырья различного качества в локальных сегментах выработанного пространства Учалинского карьера, создании устройства для обезвоживания хвостовой пульпы в выработанном пространстве открытого или подземного рудника и разработке рекомендаций по формированию гидроизолирующих перемычек с применением передвижного закладочного комплекса. Внедрение разработанных рекомендаций обеспечивает повышение эффективности комбинированной разработки рудных месторождений.

Реализация работы. Результаты работы использованы при выполнении государственного контракта с Минобрнауки РФ № 16.525.12.5001. Результаты исследований используются при чтении курсов «Комплексное освоение недр», «Комплексное освоение рудных месторождений» и «Основы разработки техногенных образований» в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет», «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Личный вклад автора состоит в разработке методики экспериментальных исследований параметров комбинированной геотехнологии с утилизацией техногенного медно-колчеданного сырья на моделях из эквивалентных материалов и имитационных моделях; обработке результатов с установлением значимых закономерностей, параметров комбинированной разработки медно-колчеданных месторождений и технологии утилизации отходов обогащения руд; в разработке рекомендации по утилизации техногенного сырья в Учалинском карьере; технологии возведения изолирующих перемычек между выработанным пространством карьера, заполняемым пульпой, и выработками подземного рудника; усовершенствовании конструкции вакуум-фильтра для обезвоживания хвостовой пульпы перед складированием в карьер.

Публикации: Материалы диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, подано 2 заявки на изобретение.

Апробация работы: Основные результаты, положения и выводы докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2012, 2013 гг.); VI Международной конференции «Комбинированная геотехноло-

гия: теория и практика реализации полного цикла комплексного освоения недр» (Магнитогорск, 2011 г.); 69, 70 научно-технических конференциях Магнитогорского государственного технического университета (2012, 2013 гг.); технических советах Учалинского ГОКа (Учалы, 2012, 2013 гг.), I Региональной конференции «Маркшейдерское и геологическое обеспечение горных работ» (Магнитогорск, 2013).

Объем и структура работы:

Диссертация представлена на 176 страницах, состоит из введения, 4 глав, заключения и содержит 71 рисунков, 20 таблиц, библиографический список из 104 наименований.

Автор выражает благодарность сотрудникам Отдела теории проектирования освоения недр ИПКОН РАН и кафедры ПРМПИ МГТУ им. Г.И. Носова за ценные советы и консультации при проведении экспериментальных исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

С каждым годом образование отходов на горных предприятиях возрастает при одновременно усложняющихся горно-геологических условиях разработки месторождений и снижении среднего содержания полезных компонентов в рудах, вовлекаемых в разработку. В результате на земной поверхности формируются значительные по занимаемой площади и высоте отвалы и хвостохранилища различных видов отходов горно-обогатительного и металлургического производства. Проведенный патентный поиск и обзор отечественных и зарубежных источников по существующим технологиям формирования техногенных массивов из отходов горно-обогатительного производства показал, что принципы проектирования техногенных объектов исторически менялись в зависимости от используемой техники, установленных кондиций, функций и требований, которым должен отвечать формируемый техногенный массив. В разные годы решением проблемы формирования техногенных месторождений для их последующей разработки занимались академики М.И. Агошков, К.Н. Трубецкой, чл.-корр. РАН Д.Р. Каплунов, профессоры А.Е. Воробьев, О.З. Габараев, С.Е. Гавришев, В.И. Голик, С.А. Голяк, В .Г. Зотеев, О.В. Зотеев, М.В. Рыльникова, Г.В. Секисов, В.Н. Уманец, М.И. Фазлуллин, И.В. Шадрунова и др. В трудах этих ученых даны классификации отходов горно-перерабатывающих производств, обоснованы требования к качеству техногенного сырья, определены основы разведки и разработки техногенных образований, освещены эколого-экономические аспекты. Анализ этих и других работ позволил выявить, что повторная переработка отходов, накопленных в соответствующих хранилищах, позволяет достаточно эффективно решать проблемы расширения минерально-сырьевой базы действующих горных предприятий, а использование выработанных пространств карьеров и шахт в качестве емкостей для складирования вновь образующихся отходов горно-обогатительных предприятий способствует сокращению объемов их накопления на поверхности.

Недостаточно в отечественной практике горного проектирования проработан вопрос эффективного использования потенциала выработанного пространства недр. В частности, анализ передовых научных идей и практики проектирования комбинированной открыто-подземной геотехнологии, обоснованию рациональных параметров которой посвящены многочисленные работы академиков Н.В. Мельникова, М.И. Агошкова, К.Н. Трубецкого, чл.-корр. РАН Д.Р. Каплунова, про-

фессоров Ю.В. Демидова, О.В. Зотеева, П.Э. Зуркова, Д.М. Казикаева, В.Н. Калмыкова, М.В. Рыльниковой, Б.П. Юматова, В.А. Щелканова, Г.И. Черного, А.Д. Черных и других ученых, свидетельствует, что все известные методики обоснования рациональной глубины перехода от открытых горных работ к подземным не рассматривают влияния на предельную глубину карьера перспектив его использования в качестве емкости для складирования отходов горно-обогатительного производства. Об эффективной утилизации отходов в выработанных пространствах обычно задумываются на завершающей стадии эксплуатации месторождений, когда, зачастую, у предприятий недостаточно средств для эффективной реализации таких идей. Вместе с тем, ужесточение экологических требований и повышение требований комплексности освоения недр делают данный фактор все более значимым. Экономическое значение учета при определении конструктивных параметров карьера перспективы использования его емкости для хранения отходов обогащения руд неоспоримо. Особенно важно учитывать этот фактор при определении глубины перехода от открытых работ к подземным при комбинированной разработке месторождений.

С целью развития научно-методических основ комплексного освоения медно-колчеданных месторождений Южного Урала на примере месторождений Учалин-ского ГОКа, были выполнены исследования последовательности вовлечения месторождений и их участков в промышленную эксплуатацию (рис. 1), определены проектные параметры разработки, изучено качество руд, поступающих на обогатительную фабрику за период с 1956 по настоящее время, и дан прогноз на перспективу до 2025 года. Установлено, что выходящий с обогатительной фабрики поток хвостов характеризуется высоким разбросом вещественного состава отходов во времени, что обуславливает целесообразность их селективного складирования в выработанном пространстве карьера. Это характерно для всех без исключения горных предприятий, осваивающих провинции медно-колчеданных руд.

Для обоснования проектных решений по управляемому складированию техногенного сырья различного вещественного состава, предложена классификация технологий формирования техногенных образований. В качестве классификационных признаков выделены: стабильность, либо изменчивость качества хвостов; коэффициент их ресурсной ценности; направления использования техногенного сырья и соответствующие им технологические процессы подготовки сырья к складированию, транспортирования, размещения и хранения в выработанных пространствах карьера и подземных выработок. При этом выделены способы размещения отходов — валовый или селективный, послойный, либо секторами.

Анализ структуры технологических процессов и условий их реализации позволил разработать методику выбора параметров технологии утилизации отходов обогащения руд для формирования локальных участков техногенного месторождения с заданным качеством сырья, базирующуюся на графоаналитическом методе расчета объемов и количества районированных участков техногенного сырья. Новизна графоаналитического метода состоит в том, что при исследованиях исходят из положения, что обезвоженная с применением флокулянтов до влажности менее 30 % пульпа на основе хвостов обогащения медно-колчеданных руд имеет свойство высокоплотной пасты и обладает повышенной вязкостью. Данный фактор препятствует перемешиванию ее со слоями хвостов иного качества, складируемых в карьер в различные временные периоды, как это показано на рис. 2

•4 - Направяонім ІМС»кав»я оЛмвйжєвмрй пулыш « . Направления расісканіїя Сї)ШґКНоГ[ |1>ЯЫ1Ы

Рисунок 2. Схема разлива обезвоженной пульпы различного вещественного состава с образованием локальных участков техногенного образования

Точки сбр<ка овмвоженноіі пульпы

Гонки сброса сп шейной пульп«

Анализ количества точек сброса обезвоженной пульпы с верхней бровки борта выработанного пространства карьера и формы дальнейшего ее движения по уступам борта, площади дна при встречном движении позволил составить схемы формирования локальных сегментов техногенных образований (рис. 3).

/ Гскупг-гзп. шил гірі.?р і і О б ОЖГКНОії ПУЛЫ! ОЙ

Т о-ки с Ьр зсыв ага и путапь:

Г- ,

*т

со

1. к

ч Прудок '-ТСТОЛ РОДЫ

Районированные участей сіліаднроЕ-ашн пута га з

^7 - — * . м . .. I—

А А

Г ічки сбрасывания пульпы

Районированные участки сіладнрсЕ ¿гаи путапы

Точки с 6р а :ьз агаи пуга ш>: .ті 7 3

А А

Точки сбрасыз анил пульпы ті*

йШ

Р аионир о в аннь> участей сіліаднр:* інкя пульпи

Рисунок 3. Схема расположения точек сброса пульпы в карьер (т. 1, т.2, т.З) и послойного её складирования на участках Я1,112, КЗ, Я4

Математическая зависимость для определения количества локальных участков техногенного сырья различного качества от числа точек сброса пульпы в выработанное пространство карьера имеет вид арифметической прогрессии:

где Птт - минимальное количество точек сброса на борту отработанного пространства карьера, Птт = 1; п™ - количество точек сброса пульпы.

Графоаналитическим методом установлены следующие особенности формирования локальных сегментов техногенных образований из отходов обогащения руд различного качества и, с учетом этого, определение мест расположения прудков отстоя воды в выработанном пространстве карьера:

- сброс обезвоженной пульпы с бровки одного уступа по продольной оси карьера обеспечивает его заполнение техногенным сырьем с образованием прудка отстоя воды в противоположной стороне от точки сброса пульпы;

- сброс двух различных типов обезвоженной пульпы с двух точек, лежащих на противоположных бортах вдоль продольной оси карьера любой формы, обеспечивает формирование трех локальных участков техногенного образования с различными свойствами техногенного сырья с образованием прудка отстоя воды в средней части карьера;

- сброс обезвоженной пульпы с двух точек, лежащих на одном продольном борту карьера, при 1 < Ьк.пр: Вк.поп < 2 обеспечивает образование трех локальных участков обезвоженной пульпы с различными свойствами с образованием трех прудков отстоя воды в центральной и периферийных частях дна карьера;

- сброс обезвоженной пульпы с трех точек, лежащих на одном продольном борту карьера, при Ьк.пр: Вк.поп> 2 обеспечивает образование пяти локальных участков обезвоженной пульпы с различными свойствами с образованием двух прудков отстоя воды в периферийной части вблизи торцевых откосов бортов карьера;

- предложены формулы для оценки объемов сегментов техногенных образований, которые в дальнейшем использованы для оценки влияния на глубину карьера перспективы складирования в него отходов обогащения руд подземной добычи.

Для проверки теоретических положений создан лабораторный стенд, обеспечивающий оценку параметров технологии управляемого складирования отходов в карьер (рис. 4-а,б). Объектом физического моделирования выбрано выработанное пространство Учалинского карьера. Условия формирования техногенного образования в выработанном пространстве модели карьера, из разнокачественных отходов обогащения руд предусматривали имитацию процессов транспортирования в карьер отходов преимущественно напорным гидравлическим транспортом от обогатительной фабрики до узла обезвоживания и от него - самотеком до точки сброса обезвоженной пульпы с верхней бровки уступа в карьер.

Моделирование технологии заполнения выработанного пространства

(1)

карьера проводилось с обеспечением геометрического и силового подобия. Моделирование гидросмеси производилось при однородности ее состава, плотности, соблюдении требования равенства масштабных коэффициентов вязкости транспортирующей среды и содержания твердого в модели и в натуре.

Рисунок 4. Внешний вид стенда, оснащенного реперами, тензометриче-скими датчиками и тензостанцией, уровнемерами и емкостями для фильтри-руемой воды после заливки хвостами второго слоя (а) и расчетная схема формирования районированных сегментов (б)

Исследования технологии формирования техногенных массивов включали обоснование:

- координат рационального месторасположения узла обезвоживания относительно выработанного пространства карьера;

- количества точек сброса обезвоженной пульпы с бортов выработанного пространство карьера и их координат;

- характеристик структурного и вещественного состава техногенного сырья, размещаемого в локальных сегментах в выработанном пространстве карьера, с определением их геометрической формы и координат по глубине и площади карьера.

Моделированием определены растекаемость пульпы, пористость массива в зависимости от высоты налегающего техногенного сырья, изменение плотности пульпы, влияющие на реологические характеристики обезвоженной пульпы и углы откоса техногенного образования, закономерности изменения нагрузки на перемычки с учетом динамических нагрузок от пульпы, поступающей в выработанное пространство карьера (рис. 5-а-г). В целом, результаты теоретических и экспериментальных исследований показали достаточную сходимость. Выводы и рекомендации, полученные в ходе расчетов графоаналитическим методом и при моделировании, использованы в проекте на утилизацию хвостов обогащения в выработанном пространстве Учалинского карьера.

Проведенный комплекс исследований позволил установить, что складирование обезвоженной с участием флокулянтов до влажности менее 30% высокоплотной пульпы в выработанное пространство карьера обеспечивает возможность селективного размещения в локальных сегментах техногенного сырья с различными свойствами для его перспективного использования.

ч/

, Lp=l A

0.Г> ж у - о,оо/?*; о.от»' (м

0 4

*-»»-»-»-»-» «се-

с 0.J

г

« 0.1

а

о с 0.1

0 ; j ь к

Давление, МПа

В Г

11J I

I» I H m<

I 10 ' II f If }|l

І І 111

юс/і гоїл »'Л лоф soi/i

Расходфлокуляніа, г/т

Рисунок 5. Зависимости, полученные в ходе замеров характеристик пульпы на модели: а) плотность вероятности распределения параметра растекае-мости; б) изменение пористости формируемого массива от давления вышележащих слоев; в) зависимость угла растекаемости обезвоженной пульпы от вида и расхода применяемого при сгущении флокулянта; г) зависимость давления на перемычки в бортах карьера от высоты заливаемого техногенного массива

і 1 • 1 0 по • / часть »зрь~ра Jr У

о:«- J3 ______■»-■* ___А •—* часть

yrtjIKM

Полученные параметры технологии утилизации отходов обогащения руд были заложены в качестве исходных данных в имитационную экономико-математическую модель комбинированной разработки месторождений. Моделирование комбинированной разработки месторождений осуществлялось для различных типов медно-колчеданных месторождений, условно разбитых на 3 группы - малые, средние и крупные, соответственно, с мощностью рудных тел 25, 75 и 150 м.

При математическом моделировании комбинированной разработки месторождения была принята последовательная схема с первоначальной отработкой месторождения открытыми горными работами до достижения карьера его расчетной предельной глубины. Складирование отходов обогащения руды открытых горных работ осуществляется во внешнее хвостохранилище. Глубина перехода на подземные горные работы варьировалась от высоты наносов до полной отработки месторождения открытым способом с шагом понижения глубины, равным высоте уступа. Высота переходной зоны была принята для малых месторождений 30 м, для средних и крупных - 50 м.

После достижения карьером расчетной глубины, осуществляется переход на подземный способ добычи за счет своевременного строительства щахты,

вскрытия и подготовки запасов месторождения для подземной добычи. При моделировании рассматривались системы разработки с естественным поддержанием очистного пространства и с твердеющей закладкой выработанного пространства. Отходы обогащения руд подземной разработки обезвоживались до влажности менее 30% и складировались в выработанном карьерном пространстве.

За рациональную глубину перехода от открытых работ к подземным принималось значение, при котором обеспечивался наибольший совокупный доход от отработки запасов месторождения в целом с учетом затрат на складирование техногенного сырья. Для оценки влияния использования емкости карьера для складирования отходов обогащения руд подземного рудника производилось сравнение рациональной глубины перехода от открытых работ к подземным без учета складирования хвостов обогащения руд в карьер и в случае использования карьерного пространства для размещения хвостов обогащения руд. Рациональная глубина перехода при этом определялась:

II е шах X В, - К, + А, - 3, - Н, - Кхи, - С„, + Э,; (2)

1-1

где Т - период эксплуатации месторождения, лет; - годовая выручка от реализации продукции в Ьтом году, руб.; Ю — капитальные затраты в 1>том году, руб.; А1 - амортизация в Ьтом году, руб.; 31 - эксплуатационные затраты без амортизационных отчислений в 1>том году, руб.; № - налоги от деятельности предприятия в Кгом году, руб.

Новизна данного критерия состоит в том, что учитывается разница капитальных затрат на строительство и реконструкцию поверхностных хвостохранилищ и объектов складирования техногенного сырья в выработанном пространстве карьера (Кхв I). Кроме того, подсчитываются текущие затраты на подготовку хвостов обогащения руд к складированию в карьере (Схв а также определяется сумма годовой экономии, получаемой за счет реализации технологии складирования техногенного сырья в выработанное пространство карьера (ЭЦ.

Данный критерий определения рациональной глубины карьера позволяет учесть влияние и оценить перспективность реализации рассматриваемых направлений утилизации практически всех видов техногенных отходов горнообогатительного производства с позиций экономической целесообразности, экологической безопасности всей горнотехнической системы и скорректировать с учетом этого предельную глубину открытых горных работ.

На рис. 6 показаны установленные зависимости изменения совокупного дохода от освоения малых месторождений медно-колчеданных руд этажно-камерной системой разработки с последующей твердеющей закладкой выработанного пространства (рис. 6, а) и этажно-камерной системой разработки с открытым очистным пространством (рис. 6, б). Причем кривые 1 на рис. 6-8 и далее построены в соответствии с результатами расчета реализации горнотехнической системы комбинированной геотехнологии со складированием отходов в поверхностные хвостохранилища (традиционный подход), а кривые 2 соответствуют значению совокупного дохода при использовании выработанного пространства отработанного карьера в качестве емкости для захоронения отходов.

Максимальный совокупный доход от разработки одного и того же месторождения системой разработки с твердеющей закладкой на 25 % выше, чем при системе разработки с открытым очистным пространством за счет несопоставимо высокого ущерба в последнем случае от потерь руды в целиках (рис. 8). А эффект от складирования отходов в карьер в этом случае и при той, и при другой системе разработки не столь значителен.

б

6500

Рисунок 8. Изменение совокупного дохода при комбинированной разработке крупного медно-колчеданного месторождения

Полученные зависимости подтверждают необходимость учета, при проектировании комбинированной разработки, перспектив использования емкости карьера для утилизации отходов переработки руд подземного рудника. Это позволяет в целом повысить доход от освоения запасов месторождения, сократить экологические платежи и получить дополнительный экологический эффект. При системах разработки с твердеющей закладкой, а именно этот класс систем разработки преимущественно используется при отработке медно-колчеданных месторождений, рациональная глубина карьеров снижается на малых месторождениях выдержанной мощности на 90-110 м, на средних — на 50-70 м, а на крупных — на 20-30 м.

Разработанная на основе имитационного моделирования методика была использована для оценки перспектив утилизации хвостов обогащения в выработанном пространстве Учалинского карьера. Доказано преимущество складирования в выработанном пространстве Учалинского карьера обезвоженной с участием флокулянтов пульпы. На основе выполненных расчетов сброс пульпы рекомендовано осуществлять с трех точек, расположенных на западном борту карьера.

С учетом определенных в ходе лабораторного эксперимента на модели нагрузок на перемычки, установка которых необходима для изоляции подземного рудника, предложена технология возведения бетонных перемычек с использованием передвижных закладочных комплексов (рис. 9). В настоящее время такой комплекс при поддержке ГК №16.525.12.5001 построен и проходит предварительные испытания на ОАО «Учалинский ГОК». Для получения высокоплотных смесей предложена конструкция вакуум-фильтра, на которую получен патент на полезную модель, и подана заявка на усовершенствованный, более производительный аппарат. Запатентованные конструкции отличаются от известных расположением составляющих частей вакуум-фильтра по вертикали, что позволяет их размещать в подземных выработках или в выработанном пространстве карьера.

странстве отходов обогащения руд с установленными характеристиками техногенного массива обеспечивает повышение эффективности и комплексности освоения рудных месторождений комбинированной геотехнологией. При этом использование карьера в качестве емкости для складирования отходов обогащения медно-колчеданных руд обеспечивает рост совокупного дохода от освоения месторождения на 12 -20%.

2. Установлено, что складирование в выработанное пространство карьера обезвоженной до влажности менее 30% высокоплотной пульпы обеспечивает возможность селективного размещения в локальных сегментах техногенного сырья с различными характеристиками вещественного состава. Количество формируемых сегментов Nip в зависимости от количества точек сброса пульпы niT определяется: .

3. Экспериментально определены зависимости параметров техногенных образований от основных факторов, влияющих на объемы складирования техногенного сырья различного качества и характеристики формируемого в ВПК техногенного массива. Выявлено, что управление параметрами формируемых в карьере техногенных образований базируется на регулировании режимов получения с использованием различного рода флокулянтов высокоплотной пульпы и технологии ее складирования в выработанном пространстве. Установлено, что угол растекания обезвоженной пульпы зависит от вида и расхода применяемого при сгущении флокулянта и изменяется от 3 до 24 град.

4. Разработана классификация технологических схем складирования пульпы отходов обогащения руд в выработанном пространстве карьеров. Основными классификационными признаками являются стабильность или изменчивость состава пульпы, а также ресурсная ценность техногенного сырья, которые и определяют выбор технологий подготовки, транспортировки и складирования разнокачественных хвостов обогащения медно-колчеданных руд в выработанном пространстве карьеров.

5. На основе имитационного экономико-математического моделирования комбинированной разработки крутопадающих месторождений медно-колчеданных руд произведена оценка влияния на предельную глубину карьера перспектив складирования техногенного сырья в его выработанное пространство. Установлено, что использование карьера в качестве емкости для складирования отходов уменьшает рациональную глубину перехода открытых работ к подземным. Причем, учет при проектировании комбинированной разработки медно-колчеданных месторождений выдержанной мощности с применением систем разработки с твердеющей закладкой выработанного пространства и утилизацией отходов подземной добычи руд в карьере уменьшает рациональную глубину перехода от открытых горных работ к подземным на малых месторождениях на 90-110 м, средних - на 50-70 м, а на крупных - на 20-30 м.

6. С учетом обоснованных параметров технологий утилизации отходов обогащения руд в выработанном пространстве карьера при комбинированной геотехнологии, разработаны рекомендации, включающие: обоснование параметров утилизации хвостов Учалинской обогатительной фабрики в одноименном карьере; обоснование применения передвижных закладочных комплексов для формирования изолирующих перемычек в ходе подготовки ВПК; разработку оригинальных вакуум-фильтров с компоновкой конструктивных элементов в вертикальной плоскости, что позволяет разместить вакуум-фильтры в выработках подземного

рудника без строительства дополнительных зданий. Рассчитанный ожидаемый экономический эффект от внедрения данных технологических рекомендаций составляет 57,8 млн.р./год. Экономический эффект достигнут, главным образом, за счет сокращения земельного налога и платежей за размещение отходов, а также уменьшения сроков и затрат на возведение гидроизолирующих перемычек в выходящих в карьер подземных выработках, сокращения затрат на строительство зданий и сооружений участка обезвоживания техногенного сырья.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ

1. Рыльникова М.В., Олизаренко В.В., Ахмедьянов И.Х. К обоснованию параметров технологии утилизации отходов обогащения руд в выработанном пространстве карьеров // Маркшейдерский вестник, 2012. -№4. -С. 12-17.

2. Рыльникова М.В., Петрова О.В., Ахмедьянов И.Х. Оценка рыночного потенциала технологий активной утилизации некондиционного сырья // Маркшейдерский вестник, 2012. - №4. -С. 21-23.

3. Рыльникова М.В., Ахмедьянов И.Х., Аверьянов К.А. Развитие классификации техногенного сырья горных предприятий и обоснование технологий его активной утилизации // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2012. - № 5. -С. 208-213.

4. Трубецкой К.Н., Матюшенко Г.А., Ахмедьянов И.Х. и др. Инновационные технологии комплексного освоения рудных месторождений с активной утилизацией некондиционного сырья // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2012. - № 5. -С. 219-226.

5. Петрова О.В., Милкин Д.А., Ахмедьянов И.Х. Обоснование критерия сравнительной экономической эффективности технологий активной утилизации техногенного сырья // Маркшейдерский вестник, 2012. - № 2. -С. 20-24.

в прочих научных изданиях

6. Вакуум-фильтр // Рыльникова М.В., Радченко Д.Н., Ахмедьянов И.Х., Кут-лубаев И.М. Заявка на изобретение РФ №2012118488 от 07.09.2012 г.

7. Вакуум-фильтр // Рыльникова М.В., Кутлубаев И.М., Ахмедьянов И.Х., Радченко Д.Н. Заявка на изобретение РФ № 2013108161 от 25.02.2013 г.

8. Олизаренко В.В., Зубков Ан.А., Ахмедьянов И.Х. и др. Оценка объемов выработанных пространств в недрах земли по проектным данным и данным маркшейдерских съемок // Маркшейдерское и геологическое обеспечение горных работ/Сб. науч. трудов/под ред. С.Е. Гавришева. Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им.Г.И.Носова - Магнитогорск, 2013. -С 163-170.

9. Зотеев О.В., Калмыков В.Н., Зубков A.A., Гоготин A.A., Зубков А.Е., Ахмедьянов И.Х., Бондаренко Д.Н. Разработка технологии закладки Учалинского карьера сгущенными отходами обогатительного производства / /Комплексное освоение месторождений полезных ископаемых: Сб. научных трудов. Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им.Г.И.Носова, - Магнитогорск, 2012. -С. 44-48.

Подписано в печать 21.03.2013 Формат 60x84/16. Бумага

тип. № 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ 157

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ФГБОУ ВПО «МГТУ»

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Ахмедьянов, Ильяс Харисович, Магнитогорск

ФГБОУ ВПО МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Г.И. НОСОВА

На правах рукописи

АХМЕДЬЯНОВ ИЛЬЯС ХАРИСОВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОМБИНИРОВАННОЙ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ МЕДНО-КОЛЧЕДАННЫХ РУД С УТИЛИЗАЦИЕЙ ОТХОДОВ ОБОГАЩЕНИЯ В ВЫРАБОТАННОМ ПРОСТРАНСТВЕ КАРЬЕРА

Специальности 25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)», 25.00.20 — «Теоретические основы проектирования горнотехнических систем»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель профессор, доктор технических наук М.В. Рыльникова

Магнитогорск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................4

1 Обобщение опыта и перспективы утилизации отходов обогащения руд в выработанном пространстве рудников...............;.............................................10

1.1 Общая характеристика и специфика хранилищ отходов обогащения медно-колчеданных руд Урала..........................................................................10

1.2 Технологии утилизации отходов обогащения руд в выработанном пространстве карьеров и шахт...........................;...................................................

1.3 Перспективные геотехнологические решения по утилизации хвостов обогащения медно-колчеданных руд................................................................38

1.4 Обобщение методики обоснования предельной глубины карьера при комбинированной геотехнологии......................................................................48

1.5 Цель, задачи и методы исследований.........................................................56

2 Развитие научно-методических основ технологии утилизации

>'

тонкодисперсных отходов обогащения руд.....................................................60

2.1 Систематизированы направления утилизации техногенного сырья, представленного отходами обогащения медно-колчеданных руд .........60

2.2 Факторный анализ технологии утилизации отходов в выработанном пространстве карьеров........................................................................................67

2.3 Обоснование условий формирования техногенных массивов с локальным распределением качества сырья........................................................................72

2.4 Методика оценки влияния учета перспектив складирования в карьер отходов обогащения руд на глубину перехода от открытых горных работ к

подземным...................................................................................85

Выводы по главе 2........................................................................95

3 Исследование параметров комбинированной геотехнологии с утилизацией отходов обогащения медно-колчеданных руд в выработанном пространстве карьера......................................................................................97

3.1 Моделирование технологии формирования техногенного образования в выработанном пространстве карьера..................................................97

3.2 Оценка параметров техногенного массива, формируемого в выработанном пространстве карьера ..............................................107

3.3. Оценка влияния перспективы складирования техногенного сырья в выработанное пространство карьера на его предельную глубину.............122

3.4. Алгоритм определения параметров технологии утилизации отходов

обогащения руд в выработанном пространстве карьеров.......................131

Выводы по 3 главе......................................................................135

4 Разработка технологических рекомендаций по складированию отходов

обогащения руд в выработанном пространстве Учалинского карьера........138

4.1 Формирование изолирующих перемычек с применением передвижного

подземного закладочного комплекса.................................................138

4.2. Совершенствование технологии обезвоживания хвостов обогащения медно-колчеданных руд...............................................................144

4.3 Технология утилизации текущих хвостов Учалинской обогатительной фабрики в выработанное пространство карьера....................................148

4.4 Оценка эффективности технологических решений по утилизации хвостов обогащения руд в выработанном пространстве Учалинского карьера......152

4.5 Оценка рыночного потенциала технологий утилизации некондиционного

сырья........................................................................................156

Выводы по 4 главе.......................................................................162

Заключение................................................................................164

Список использованных источников................................................166

ВВЕДЕНИЕ

Рациональное использование недр основывается на повышении эффективности комплексной добычи полезных компонентов и утилизации отходов горно-обогатительного производств. Так, для производства 1 тонны меди необходимо переработать до 100 т горной массы. Полученные отходы являются техногенным сырьем и складируются чаще на земной поверхности в техногенных образованиях различного вида.

Обзор опыта использования техногенного сырья свидетельствует, что лишь при разработке только 15% рудных месторождений проектами предусмотрено какое-либо использование отходов добычи и переработки руд. При этом в стратегии развития региональной сырьевой базы утилизация техногенного сырья все более утверждается в качестве важного компонента минерально-сырьевого баланса и является неотъемлемой составляющей инновационных технологий приоритетного направления Рациональное природопользование. До настоящего времени формирование техногенных образований осуществляется на основе традиционных требований и бессистемного складирования отходов в хвостохранилищах, занимающих только на Урале более 503 га земель при ежегодном приросте объемов техногенного сырья свыше 15 млн.т.

Комплексный подход к освоению недр и использованию техногенных георесурсов включает целенаправленное формирование в выработанном пространстве карьеров и шахт из отходов добычи и переработки руд техногенных месторождений с заданными структурными и вещественными характеристиками с обеспечением возможности эффективной эксплуатации техногенного сырья в ближайшей, либо отдаленной перспективе.

Поэтому обоснование эффективных технологий утилизации отходов переработки медно-колчеданных руд в выработанном пространстве карьеров при комбинированной геотехнологии представляет весьма актуальную научно-практическую задачу.

Целыо работы является повышение эффективности комплексного освоения месторождений медно-колчеданных руд на базе проектного обоснования параметров комбинированной геотехнологии с утилизацией отходов обогащения в выработанном пространстве карьеров.

4

Идея работы заключается в повышении эффективности освоения рудных месторождений комбинированной геотехнологией за счет учета при проектном обосновании предельной глубины карьера специфики и параметров технологии утилизации в его выработанном пространстве отходов обогащения руд с установленными характеристиками формируемого техногенного массива.

Задачи исследований:

- анализ и обобщение опыта и методик расчета параметров комбинированной геотехнологии с утилизацией техногенного сырья, исследование особенностей вещественного состава и структурных характеристик техногенных образований, сопутствующих разработке месторождений медно-колчеданных руд;

- факторный анализ инновационных технологий утилизации отходов в выработанном пространстве рудников и обоснование условий формирования техногенных массивов с локальным распределением качества сырья;

- исследование закономерностей формирования геометрических параметров техногенных образований в зависимости от физико-механических характеристик техногенного массива;

- учет перспективы складирования в карьер отходов переработки руд подземного рудника при обосновании рациональной глубины перехода с открытых горных работ к подземным;

разработка методики обоснования параметров комбинированной геотехнологии с утилизацией в выработанном пространстве карьера техногенного сырья с различными характеристиками вещественного состава;

- разработка технологических рекомендаций по утилизации отходов обогащения руд в выработанном пространстве Учалинского карьера.

Для решения поставленных задач в качестве объекта исследований выбрана комбинированная геотехнология с утилизацией техногенного сырья в выработанном пространстве карьера (ВПК) при комплексном освоении медно-колчеданных месторождений. Методы исследований

В работе использован комплексный метод исследований, включающий анализ вещественного состава и структурных характеристик отходов

5

обогащения медно-колчеданных руд, физическое и экономико-математическое моделирование, статистическую обработку результатов исследований и технико-экономический анализ.

В качестве методологической основы исследований в работе заложен принцип комплексного освоения участка недр в полном геотехнологическом цикле, предусматривающем складирование отходов обогащения руд в выработанном пространстве карьера для обеспечения возможности последующего вовлечения техногенного сырья в эффективную промышленную эксплуатацию.

Положения, выносимые на защиту:

1.При комбинированной разработке рудных месторождений складирование в выработанном пространстве карьера отходов обогащения руд подземной добычи ведет к снижению проектной глубины карьера.

2.Для месторождений медно-колчеданных руд выдержанной мощности, отрабатываемых системой с твердеющей закладкой, учет перспективы складирования хвостов обогащения руд в ВПК уменьшает его глубину на малых месторождениях - на 90-110 м, средних - на 50-70м, крупных - на 20-30м при росте совокупного дохода от освоения месторождения на 12 - 20%.

3.Выбор направления использования техногенного сырья и технологий его подготовки к утилизации, транспортирования и складирования в выработанное пространство карьера зависит от стабильности, либо изменчивости вещественного состава отходов обогащения руд и их ресурсной ценности.

4.Утилизация техногенного сырья в выработанном пространстве карьера эффективна при его обезвоживании до влажности менее 30% и селективном размещении сырья различного качества для использования, как в средней, так и в долгосрочной перспективе.

Научная новизна работы: 1 .Классификация технологических схем утилизации отходов обогащения медно-колчеданных руд различного качества с учетом условий их локального размещения в выработанном пространстве рудников.

2.3акономерности формирования локальных сегментов техногенных образований из отходов обогащения руд различного качества и, с учетом этого, мест расположения прудков отстоя воды в ВПК.

3.Методика выбора параметров технологии утилизации отходов обогащения руд для формирования локальных участков техногенного образования с заданным качеством сырья, включающая графоаналитический метод расчета объемов и количества районированных участков техногенного сырья различного качества и учитывающая результаты экспериментальных исследований параметров техногенного массива в выработанном пространстве карьера.

4.Методика обоснования параметров комбинированной открыто-подземной геотехнологии разработки крутопадающих медно-колчеданных месторождений выдержанной мощности, базирующаяся на определении рациональной глубины перехода от открытых горных работ к подземным с учетом перспектив утилизации хвостов обогащения руд в карьере.

Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечивается надежностью и представительностью исходных данных; адекватностью разработанной имитационной модели условиям функционирования горнотехнических систем комплексного освоения рудных месторождений комбинированными геотехнологиями; сопоставимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, обработанных методами математической статистики; использованием современного оборудования и апробированных методик.

Практическая значимость работы состоит в разработке и обосновании параметров технологии утилизации техногенного сырья различного качества в локальных сегментах выработанного пространства Учалинского карьера, создании устройства для обезвоживания хвостовой пульпы в выработанном пространстве открытого или подземного рудника и разработке рекомендаций по формированию гидроизолирующих перемычек с применением передвижного закладочного комплекса. Внедрение разработанных рекомендаций обеспечивает повышение эффективности комбинированной разработки рудных месторождений.

Реализация работы. Результаты работы использованы при выполнении государственного контракта с Минобрнаукой РФ № 16.525.12.5001. Результаты исследований используются при чтении курсов «Комплексное освоение недр», «Комплексное освоение рудных месторождений» и «Основы разработки техногенных образований» в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет», «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Личный вклад автора состоит в разработке методики экспериментальных исследований параметров комбинированной геотехнологии с утилизацией техногенного медно-колчеданного сырья на моделях из эквивалентных материалов и имитационных, обработке результатов с установлением значимых закономерностей, параметров комбинированной разработки медно-колчеданных месторождений и технологии утилизации отходов обогащения руд, а также в разработке рекомендации по утилизации техногенного сырья в Учалинском карьере, технологии возведения изолирующих перемычек между выработанным пространством карьера, заполняемым пульпой, и выработками подземного рудника, усовершенствовании конструкции вакуум-фильтра для обезвоживания хвостовой пульпы перед складированием в карьер.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, подано 2 заявки на полезную модель.

Апробация работы. Основные результаты, положения и выводы докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2012-2013 гг.); VI Международной конференции «Комбинированная геотехнология: теория и практика реализации полного цикла комплексного освоения недр» (Магнитогорск, 2011 г.); 69, 70 научно-технических конференциях Магнитогорского государственного технического университета (2012-2013 гг.); технических советах Учалинского ГОКа (Учалы, 2012-2013 гг.), Маркшейдерское и геологическое обеспечение горных работ (Магнитогорск, 2013).

Объем и структура работы:

Диссертация представлена на 176 страницах, состоит из введения, 4 глав, заключения и содержит 71 рисунков, 20 таблиц, библиографический список из 104 наименований.

Автор выражает благодарность сотрудникам Отдела теории проектирования освоения недр ИПКОН РАН и кафедры ПРМПИ МГТУ им. Г.И. Носова за ценные советы и консультации при проведении экспериментальных исследований.

1 ОБОБЩЕНИЕ ОПЫТА И ПЕРСПЕКТИВЫ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВОБОГАЩЕИИЯ РУД В ВЫРАБОТАННОМ ПРОСТРАНСТВЕ РУДНИКОВ

1.1 Общая характеристика и специфика хранилищ отходов обогащения медно-колчеданных руд Урала

Рациональное использование недр и повышение эффективности горного производства должно основываться на комплексном извлечении полезных компонентов из недр, утилизации вторичных минеральных ресурсов, на основе применения гибких технологий и высокопроизводительного оборудования.

С каждым годом образование отходов горных предприятий существенно растет при одновременно усложняющихся горно-геологических условиях разработки месторождений и снижении среднего содержания полезных компонентов в вовлекаемых в разработку запасах. Тем самым на земной поверхности формируются огромные по занимаемой площади и высоте отвалы и хвостохранилища различных видов отходов, как горного, так и металлургического производства [1, 2, 91].

В работе, удостоенной премии РАН им. Академика Н.В. Мельникова [17], освоение недр было определено, как технологически особый вид человеческой деятельности. Освоение предполагает любой вид преобразования недр (изменения вещественного состава, структуры, состояния и свойств) в процессе реализации мероприятий по извлечению из недр и комплексному использованию георесурсов с обеспечением сохранения экологического равновесия среды. Отходы горнообогатительного производства, созданные в результате производственной деятельности человека в сфере недропользования, принято называть техногенными образованиями, которые разделены на две категории [91,2].

Техногенные образования I категории представлены отходами добычи руд. К ним относятся вскрышные и вмещающие породы, отходы радиометрической сепарации, в том числе забалансовые и некондиционные руды, созданные без учета последующего освоения. Техногенные образования II категории представлены дисперсными отходами обогащения руд. Материал таких техногенно-минеральных образований отличается от

природного не только по гранулометрическому составу, но нередко и по содержанию целого ряда химических веществ и новообразований, возникших в процессе переработки и хр