Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование параметров технологии формирования техногенных массивов из отходов обогащения в выработанном карьерном пространстве при открыто-подземной разработке медноколчеданных месторождений

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

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров технологии формирования техногенных массивов из отходов обогащения в выработанном карьерном пространстве при открыто-подземной разработке медноколчеданных месторождений"

На правах рукописи

ЗУБКОВ АРТЕМ АНАТОЛЬЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ МАССИВОВ ИЗ ОТХОДОВ ОБОГАЩЕНИЯ В ВЫРАБОТАННОМ КАРЬЕРНОМ ПРОСТРАНСТВЕ ПРИ ОТКРЫТО-ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ МЕДНОКОЛЧЕДАННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность: 25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

12 ДЕК 2013

Магнитогорск - 2013

005543377

005543377

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Калмыков Вячеслав Николаевич

Официальные оппоненты:

Голяк Сергеи Алексеевич

доктор технических наук, профессор кафедры «Управления недвижимостью и инженерных систем» ФГБОУ ВПО «МГТУ»

Козловский Андрей Александрович

кандидат технических наук, начальник БОТиЗ рудника горно-обогатительного производства ОАО «ММК»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Уральский государственный

горный университет», г. Екатеринбург

Защита состоится 24 декабря 2013 г. в II00 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, 38, малый актовый зал.

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

Автореферат разослан «23» ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета у с > '; с • ' ^ ^Корнилов Сергей Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. До настоящего времени отходы обогащения руд складируются в хвостохранилищах различного типа, занимающих только на Урале более 500 млн. гектаров земель, при ежегодном приросте объемов техногенного сырья свыше 15 млн.т, так как для производства 1 тонны меди необходимо переработать до 100 т горной массы. Экологические выплаты за эксплуатацию хвостохранилшц, как промышленно опасных объектов, достигают 15 % от затрат на добычу и переработку руды.

В промышленно развитых районах, выделение земель, особенно находящихся в сельскохозяйственном обращении, существенно осложнено. Решение данной проблемы возможно за счет использования в качестве емкости для размещения отходов горного производства выработанных пространств карьеров и подземных рудников, объемы которых только на медноколчеданных месторождениях составляют свыше 560 млн. м3.

Анализ опыта использования выработанных пространств показал, что размещение в них отходов обогащения ведет к формированию водонасыщенных слабоуплотняемых массивов, характеризующихся низкими значениями предела текучести, что позволяет отнести их к категории опасных и весьма опасных по прорывам.

Использование карьерных пространств, подрабатываемых подземными работами. и заполняемых текущими отходами обогащения, будет приводить к дренированию больших объемов воды в подземные выработки, необходимости изоляции подземных работ, неполному использованию карьерного пространства. Поэтому обоснование эффективных технологий формирования искусственных массивов из отходов обогащения в выработанном карьерном пространстве, при совмещении процессов заполнения карьера и подземных горных работ, представляет весьма актуальн}то научно-практическую задач}'.

Целыо работы является обоснование параметров технологии формирования закладочного массива из отходов обогащения в выработанном карьерном пространстве в условиях совмещения с подземными работами, обеспечивающих эффективность размещения отходов и безопасность подземных работ.

Идеи работы состоит в использовании установленных зависимостей технологических параметров формируемого массива от физико-механических свойств сгущенных отходов обогащения при обосновании параметров технологии закладки карьера, обеспечивающих повышение полноты использования карьерного пространства и плотности техногенного массива, снижение объемов воды, поступающей в подземные выработки.

Объект исследовании - открыто-подземная комбинированная геотехнология освоения медно-колчеданных месторождений.

Предмет исследовании - технология заполнения выработанного пространства карьеров выработок отходами обогащения.

Задачи исследовании:

1. Анализ и обобщение опыта и существующих методик выбора и обосно-

вания параметров технологии закладки выработанного пространства карьеров отходами обогащения.

2. Оценка горнотехнической ситуации при комбинированной разработке медноколчеданных месторождений.

3. Исследование свойств отходов обогатительного производства при освоении медноколчеданных месторождений. Способы подготовки отходов обогащения перед подачей в карьерное пространство.

4. Разработка технологических схем заполнения карьера отходами обогащения при освоении медноколчеданных месторождений и их классификация, исследование факторов, влияющих на технологию заполнения карьера.

5. Технико-экономическая оценка технологических схем заполнения карьерного пространства сгущенными отходами обогащения. Разработка методики выбора рациональных вариантов схем, апробация и внедрение рекомендаций.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий определение состава и свойств текущих и сгущенных отходов обогащения и формируемого массива, физическое и компьютерное моделирование, экономические расчеты, статистическую обработку результатов исследований и их технико-экономический анализ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Выбор рационального способа формирования в отработанном карьере техногенного массива из отходов обогащения обеспечивается использованием технологических схем, дифференцированных по фазовому состоянию отходов обогащения, нарушенности прикарьерного массива, степени совмещения с подземными работами.

2. В условиях совмещения процессов заполнения карьера отходами обогащения с подземной добычей в подкарьерной зоне, формирование техногенного массива с рациональными технологическими параметрами (плотность, пористость, влажность, угол растекания) обеспечивается за счет управления физико-механическими свойствами сгущенных хвостов обогащения (содержание твердого от Т:Ж=65:35 до Т:Ж=75:25 и расход флокулянтов). а так же использования эффекта кольматации сыпучих сред и нарушенного массива для изоляции карьерного пространства.

3. Повышение полноты использования карьерного пространства, форма и объем искусственного массива обеспечиваются применением сгущенных хвостов обогащения, рациональным размещением точек сброса их в карьер, сбором и перепуском избыточной воды на нижних горизонтах карьера в подземные выработки с помощью дренажной системы. В качестве дренажной системы применяются фильтрационные экраны и комплекс перепускных скважин.

Научная новнзна работы:

1. Классификация технологических схем формирования искусственного массива в выработанном карьерном пространстве из сгущенных отходов обогащения медноколчеданных руд, отличающаяся учетом фазового состояния отхо-

дов. совмещения с подземными работами, состояния карьерного пространства и положения фронта подземных работ.

2. Методика обоснования параметров технологических схем заполнения выработанного карьерного пространства сгущенными отходами при совмещении закладочных и подземных горных работ.

3. Эмпирические зависимости: физико-механических характеристик (модуль упругости, пористость, коэффициент Пуассона) формируемого массива от создаваемого им давления; угла растекания и водоотдачи от консистенции и расхода флокулянта; глубины проникновения пульпы в сыпучий массив от величины гидростатического напора.

Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечивается: представительностью и надежностью исходных данных; адекватностью разработанных имитационных моделей условиям закладки выработанного карьерного пространства; сопоставимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, обработанных методами математической статистики; использованием современного оборудования и апробированных методик.

Практическая значимость работы состоит в разработке: технологических схем заполнения карьеров сгущенными хвостами обогащения, обеспечивающих повышение его вместимости и плотности техногенного массива, рекомендации по сооружению фильтрационных экранов и дренажных систем в горизонтальных и вертикальных выработках, формированию водонепроницаемых перемычек.

Реализация работы. Результаты работы использованы при разработке технологического регламента «Закладка отработанного пространства Учалинского карьера твердеющими смесями на основе отходов обогащения», выполнении государственного контракта с Минобрнаукой РФ №16.515.11.5065 от «30» сентября 2011 г. «Изыскание технологии комплексного освоения рудных месторождений с активной утилизацией некондиционного сырья»; чтении дисциплины «Комплексное освоение рудных месторождений» в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.ИНосова».

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследований, сборе исходных данных, разработке классификации технологических схем закладки выработанного карьерного пространства отходами обогащения, обосновании методики экспериментальных исследований технологии на физических моделях и в промышленных условиях, обработке результатов, в разработке рекомендаций по закладке сгущенными хвостами обогащения Гайского и Учалинского карьеров, технологии возведения водонепроницаемых перемычек, апробации рекомендаций в промышленных условиях.

Апробация работы. Основные результаты, положения и выводы докладывались и обсуждались на Международных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2010-2013 гг); VI и VII Международных конференциях «Комбинированная геотехнология: теория и практика реализации полного цикла комплексного освоения недр» (Магнитогорск, 2011 и 2012 гг); 69 и 70 Межрегиональных научно-технических конференциях: «Актуальные проблемы современной

науки, техники и образования» (г. Магнитогорск. МГТУ. 2011-2012гг); «Маркшейдерское и геологическое обеспечение горных работ» (г. Магнитогорск, 2013 г); технических советах Учалинского и Гайского ГОКов (Учалы, Гай 2012-2013 гг); Всероссийской молодежной научно-практической конференции (с участием иностранных ученых) «Проблемы недропользования» (г. Екатеринбург, ИГД УрО РАН, 2013г).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 9 работах, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения. 4 глав, заключения, библиографического списка из 138 наименований и содержит 160 страниц машинописного текста, 76 рисунков, 17 таблиц.

Автор выражает благодарность сотрудникам кафедр ПРМПИ и ОПИ Института горного дела и транспорта МГТУ им. Г.И.Носова, сотрудникам ИПКОН РАН за научные консультации и замечания при выполнении и обсуждении результатов исследований, а также руководству ОАО «Учалинский ГОК» за содействие в организации лабораторных и опытно-промышленных исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В настоящее время на земной поверхности накоплены огромные по занимаемой площади и высоте отвалы и хвостохранилища различных видов отходов горно-обогатительного и металлургического производства и сформированы большие объемы выработанных пространств. Отсутствие свободных площадей и неэкономичность вывода земель из состава сельскохозяйственных угодий предопределяет необходимость использования выработанных пространств карьеров в качестве емкостей для размещения вновь образующихся отходов различного агрегатного состояния, что б\дет способствовать сокращению объема отходов, складируемых на земельных отводах горных предприятий и повышению эффективности освоения месторождений.

Обзор научных идей и опыта использования карьерных пространств и отходов горного производства при открыто-подземной геотехнологии, обоснованию рациональных параметров которой посвящены работы академиков Н.В. Мельникова, М.И. Агошкова, К.Н. Трубецкого, чл.-корр. РАН Д.Р. Каплунова, профессоров Ю.В.Демидова. О.В.Зотеева. П.Э. Зуркова. С.Е.Гавришева. Д.М. Казикаева, В.Н.Калмыкова, М.В.Рыльниковой, Б.П.Юматова. А.Д. Черных, В.А. Щелканова. Г.И. Черного, и других ученых, свидетельствует, что в отечественной науке и практике недостаточно проработаны вопросы эффективного использования потенциала выработанных поверхностных пространств, обоснования требуемых свойств отходов обогащения, параметров технологии размещения их в отработанных карьерах. Использование выработанных карьерных пространств для размещения отходов обогащения при комбинированной разработке месторождений сдерживается недостаточной изученностью процессов формирования техногенных массивов в выемках, расположенных в нарушенном массиве и имеющих гидравлическую связь с подземными горными выработками

действующего рудника. Проведенный патентный поиск и обзор отечественных и зарубежных источников по заполнению карьеров текучими отходами обогащения при комбинированной разработке месторождений показал, что имеется опыт размещения текучих хвостов обогащения в выработанных карьерных пространствах при совмещении с подземными горными работами, который характеризуется формированием водонасыщеного малоилостного массива высокой подвижности.

Горнотехническая обстановка, сложившаяся на рудниках, разрабатывающих медно-колчеданные месторождения - Гайское, Молодежное, Александрин-ское, Учалинское является типичной, емкости хвостохранилищ исчерпаны, а подземные горные работы за контурами карьеров продолжаются. Оценка горнотехнической ситуации показала возможность использования карьеров в условиях производства подземных работ в подкарьерной зоне, когда между подземными работами и карьером сформирован барьерный целик достаточной мощности.

Для выбора рациональных способов формирования искусственных массивов из отходов обогатительного передела в карьерном пространстве и подземных горных выработках при освоении месторождения комбинированным способом разработана классификация технологических схем (табл. 1), в которой учтено влияние основных горно-геологических и горнотехнических факторов.

Таблица 1 - Классификация технологических схем заполнения карьерного пространства отходами обогащения

Наличие совмещения с подъемными работами Состояние карьерного пространства, наличие открытых гидравлических св я ген Фаговое состояние размещаемых отходов Способ ИЗОЛЯЦИИ выработок, окружающего прикарьерного массива Технологическая схема способ подачи отходов обогащения в карьер Способ отвода избыточной Наличие водоотлива, необходимость его модернизации Условия применения

1 2 3 4 5 б 7 Э 9

I Имеет совмещение с -од:емнь:м:--: работами 1 Свободное яти част!1чно занятое внутренним отвалам, устойчивые борта, есть доступ в карьер 2. Свободное или частично занятое отвалами. имеются локальные нарушения, нет доступа в карьер 1 Сгушенн ые 2.0бквоже иные 1 Управление пульпы 2 Устройство I - тс 3.Устройство Н5 0 Л1!р}ТС'П1ИХ ;-:- ра:-:." 4. Формирование барь-дкых целиков Гитравличе-ский. с одной или нескольких точек подачи 1. Перепуск с помощью 1г • ным авпем в -сд-т- горные выработ-к 2.Сбор в прудке а откачка с ПОМОЩЬЮ агавучих станции 3. Дренаж, испарение 1 Требуете 1 модернизация 2 Не гребу ется 1 Последов ад ель пая открыто-под-земная разработка 2 Освоение группы сближенных месторож-де:-д-д; 3.Освоение месторождений в зкономи-чески ра:г:-ть:\ районах с ВЫСОКОЙ степенью застрой*::

Не требуется Механический

п отсутствует Свободное или частично заполненное. оорта нарушены, имеются выходы выработок 1 Жидкие 2 Сгушенн ые 1.Не требуется Гидравличе- 1. Перепуск в подземные выработки 2.Откачка с помощью ддавучей :-:ас осной станции Имеются подземные воды I::;. тств;. -ет

I бесЕГ-1 2.> стройство вао^кюв :-:-: ан:Е скин

ш Совмещение отсутствует. работы не планируются Свободное или частично занятое отвалами, устойчжые борта имеется доступ Обезво- 1. Не требуется 2.У стройство изолирующих жравов Гидравлический Механический Отсутствует Этсутству-

Технологические схемы предлагается делить на группы по признакам наличия: фронта подземных работ и удаленности его от дна карьера; нарушений бортов; внутренних отвалов; коммуникаций; связей с подземными выработками и др. Каждый признак позволяет выделить объекты, имеющие связи с подземными выработками и водоносными горизонтами, оценить геомеханическое состояние массива, занятость прикарьерной территории и на основе этих данных принимать проектные решения.

Важным классификационным признаком является требуемое фазовое состояние отходов, размещаемых в карьере, который в конечном счете, определяет все последующие решения. Другой важный признак - способ изоляции карьерного пространства с целью предотвращения попадания воды и отходов в выработки подземного рудника. Одним из основных способов предотвращения прорывов пульпы хвостов в подземные выработки является управление физико-механическими свойствами пульпы, например, путем перевода её в нетекучее состояние, придания ей способности уплотняться и повышать водоотдачу. В условиях комбинированного способа разработки это достигается в основном использованием отходов обогащения в сгущенном виде.

На основе оценки состояния карьерных пространств медноколчеданных месторождений для размещения отходов обогащения сконструированы три основных варианта технологических схем (рис. 1) в условиях совмещения закладочных и подземных работ.

а) б)

Рис. 1 — Технологические схемы формирования массива закладки из отходов обогащения: а) — текущих в отработанном пространстве карьера; б)-сгущенных с сооружением искусственного целика в карьере; в) - сгущенных без сооружения искусственного целика в карьере; г) - текущих в поверхностном хвостохранилище

Вариант технологической схемы закладки карьера текущими хвостами обогащения (рис. 1, а) предусматривает намыв несгущенных хвостов обогащения под защитой барьерного целика, толщиной удовлетворяющей требованиям правил безопасности. Недостатками этого варианта являются большая вероятность залпового прорыва воды и пульпы в связи с нарушенностью массива в действующие выработки подземного рудника, малая приемная способность по твердому. высокие затраты на откачку воды, изоляцию, устройство плавучих станций.

Особенностью второго варианта (рис. 1 б) является наличие узла для сгущения текущих хвостов обогащения и подачи их насосами в карьер. В карьере формируется и юлирующий целик требуемой высоты из малопрочной закладочной смеси на основе хвостов обогащения, предотвращающий прорыв воды и пульпы в подземный рудник в случае выхода зоны обрушения на контур карьера. а для защиты от затопления подземных выработок, имеющих связь с карьером. возводятся водонепроницаемые перемычки. Предусматривается модернизация водоотлива рудника, устройство карьерной плавучей насосной станции.

Технологическая схема формирования техногенного массива (рис. 1 в) из сгущенных хвостов обогащения аналогична варианту 1 б, только реализуется при условии отхода фронта подземных работ на расстояние, равное расчётному значению по условиям безопасности. Для изоляции подземных объектов рудника так же предусматривается возведение водонепроницаемых перемычек.

В качестве альтернативного рассматривается традиционный вариант размещения (рис. 1, г) хвостов обогащения в хвостохранилище, так как данная технология достаточно апробирована, имеется многолетний опыт её применения.

Ознакомление с технолопгческими схемами размещения отходов в карьерном пространстве показывает, что они характеризуются различными показателями эффективности и условиями применения. При их проработке требуется обоснование параметров: свойства пульпы и техногенного массива, содержание твердого, угол растекания, рациональное положение точек сброса, размеры перемычек, удаление фронта подземных работ, объемы формируемого массива, водопритоки, кольматирующая способность.

Выбор рациональных вариантов использования карьерного пространства предлагается проводить по критершо минимальных удельных затрат на складирование отходов обогатительного передела с учетом экологических платежей за их размещение на поверхностных полигонах. В качестве базового при сравнительных расчетах принят традиционный вариант размещения отходов в поверхностном хвостохранилище. При расчете критерия учитываются затраты на: подготовку отходов к подаче в карьер; транспорт до места укладки; изоляцию карьерного пространства; откачку оборотной воды; создание дренажных систем, плавучей насосной станций; экологические платежи.

Детальная проработка технологических схем закладки карьера сгущенными отходами обогащения и их сравнение проведены на примере Учалинского карьера, где подземные работы находятся от создаваемого массива закладки на расстоянии меньшем, чем установлено требованиями безопасности по условию

подработки. Исходными данными для обоснования параметров технологии заполнения карьера являются: объемы и свойства исходной пульпы; характеристика вмещающих пород; сведения об устойчивости бортов карьера при затоплении'. вид связей карьера с подземными выработками; пространственное положение и параметры объектов на промышленной площадке рудника: водопротоки, состав и мощность подземного водоотлива: состояние карьерного пространства и положение фронта подземных работ: максимальные размеры обнажений подземных выработок. Объемы выработанных пустот определялись по расчетным схемам с учетом их формы и параметров и уточнялись маркшейдерскими замерами.

Порядок размещения отходов в карьере, движение складируемых объемов осуществлялось путем моделирования процесса заполнения на физических и объемных моделях ЗЭ. Физическое моделирование проводилось с соблюдением подобия и предусматривало имитацию процессов транспортирования в карьер сгущенной пульпы напорным гидравлическим транспортом от узла обезвоживания до точки сброса на бровку карьера и самотечным по борту карьера.

Такие исходные данные как свойства сгу щенных отходов обогащения -растекаемость. консистенция, реологические характеристики, влажность, пористость и их зависимости от влияющих факторов определялись опытным путем с использованием стандартных методик и оборудования.

В работе использованы результаты собственных исследований (табл. 2) и организаций (ОАО «Учалинский ГОК». ООО «Коралайн Инжиниринг», Компания «ОУТОТЕК»),

Таблица 2 - Свойства исходной пульпы

№ п/п Название характеристики Значение характеристики

1 Пористость. ®'о 46,5+77.4

л Коэффициент фильтрации, м/сут (1,50+1,81)*10-6

3 Обезвоженные: 1. Плотность, г/см3 2. Плотность минеральной части, г см3 1,72+2,21 2.27+3.87

4 Влажные: 1. Плотность, г/см3 2. Влажность весовая. % 3. Угол внутреннего трения, градус 4. Удельное сцепление, кгс/см2 2 27+2 49 16,0+33,3 21+31 0,08+0,15

5 Средневзвешенный диаметр, мм 0.030

6 Гранулометрический состав:

Размер фракции, мм +0,074 +0,044 +0,020 +0,010 +0,005 -0.005

Содержание фракции, *» 8 43,44 20,12 10.52 15,92

7 Плотность пульпы, т/м* 1,2+1,35

8 Содержание твердого. % 15+20

Оценка возможности проникновения суспензии из карьера в подземные выработки производилась с учетом требований нормативных документов при ведении работ у затопленных выработок.

Результаты изучения гранулометрического состава хвостов Учалинской обогатительной фабрики и коэффициента Пуассона приведены на рис. 2.

а) б)

Рис. 2 - Гранулометрический состав хвостов Учалинской обогатительной фабрики: а) зависимость гранулометрического состава по пробам; б) — кривая зависимости коэффициента Пуассона от давления

Удовлетворительная сходимость результатов позволяет полученные кривые объединить в одну генеральную совокупность и аппроксимировать степенной зависимостью вида д'. = 0.0006• р10648 , где с11 - диаметр частиц, мм; p¡ - соответствующая диаметру й, накопленная частость на кумулятивной кривой грансо-става. С использованием полученной зависимости определены контролирующие диаметры: О|0=7 мкм, Оп=12,3 мкм, О50=38,6 мкм, Э60=46,9 мкм, 085=68 мкм и коэффициент неоднородности г|= О60/О|0=6,7. По гранулометрической классификации хвосты Учалинского ГОКа относятся к суглинистым или супесчаным грунтам.

По коэффициенту неоднородности определены начальная пористость и её значение в формируемом массиве в зависимости от давления. Значения коэффициента Пуассона находились по зависимостям Зотеева В.Г., Зотеева О.В., Низа-мутдинова Е.О., учитывающих гранулометрический состав и величины действующих нагрузок (рис. 2, б)

цр = цп„ ±0,000977^1+377,206 (ц"и -0,273)" , (1)

где = ^у. К = 0,2458 с1£0742; Ь = -0,14 <;2039; ц"и = 0,65543 ц"„ + 0,09349 .

Анализ приведенных данных компрессионных испытаний позволил аппроксимировать степенными зависимостями осевые деформаций (е), пористость (пот нормального давления (ст) (рис. 3, а), а также связь нормальных напряжений и деформаций хвостов Е (рис.3, б). При приложении нагрузки изменение пористости характеризуется близкими значениями для всех проб, что позволяет использовать эти результаты для оценки уплотняемости хвостов с глубиной. Определены так же значения, необходимые для расчета водопритоков, параметров водонепроницаемых перемычек, угла внутреннего трения (рис. 3, г) и коэффициента фильтрации хвостов обогащения.

Добавление флокулянта в сгущаемую пульпу приводит к существенному изменению ее свойств (табл. 3), влияющих на резкое увеличение угла растекания

пульпы с 2-3° до 12-20° в зависимости от плотности смеси и в низкой по сравнению с обычной пульпой водоотдаче, свободный сток воды составляет 13,8% от ее объема в пасте. В дальнейшем паста слабо уплотняется, причем освободившаяся вода отжимается наверх.

Давление. МПа Давление, МП«

Рис.3 - Графики зависимости от давления: а) - относительной деформации; б) - модуля деформации; в) - пористости; г) - угла внутреннего трения

Таблица 3 — Зависимость угла растекания от расхода флокулянта

Плотность пасты, т/мЗ Расход флокулянта, г/т Радиус конуса, мм Высота конуса, мм Угол растекания пасты, град

1,8 25 164,95 80 25,87

207,9 78 20,57

175,68 55 17,38

217,6 58 14,92

1,9 45 195 84 23,30

Сгущаемая с использованием флокулянта пульпа обладает повышенной способностью к кольматации поровых каналов. Если обычная пульпа без флокулянта практически полностью отдает воду в перколяторе через фильтр, состоящий из песчаных фракций от 1 до 3 мм, то пастовая пульпа кольматирует этот слой заполнителя. Глубина кольматации составила 30 мм при высоте столба пульпы 1000 мм. Увеличение крупности частиц фильтра (от 1 до 5 мм) привело к увеличению глубины кольматации до 200 мм при практически полном отсутствии водоотдачи. При этом свободная вода отжималась над твердой частью пасты, мутность достигала 47 г/л.

Полученные данные опытов аппроксимированы прямолинейной зависимостью мощности закольматированного слоя (Ь, м) сгущенным продуктом в сыпу-

чем массиве от гидростатического давления (рис. 4):

Ь=(0,0395дп+0,0492)п, м (2)

где £ - глубина проникновения, м; п - коэффициент запаса; ц„ - величина гидростатического давления, МПа. д,, = у„ксп, где уп - плотность пульпы, т/м'; Исп — высота слоя пульпы, м.

* 0,07

| 0,065 V

§ 0.06 X

£0,055 а

О 0,05 О.

Я 0,045 3 0,04

У = 0,0395х +0 0492

'9

Рис. 4 — Зависимость глубины проникновения сгущенного продукта в сыпучий массив от гидростатического давления

0,1 0,2 0,3 0,4

Гидростатическое давление, МПа

Анализ компрессионных испытаний, проведенных на образцах пульпы с использованием фло-кулянта, показал, что пористость материала и, как следствие, влажность значительно выше, чем у проб, взятых с пляжа хвостохранилища. Так же они обладают более высокой осевой деформацией при равнозначном давлении, что объясняется наличием капиллярной воды между частицами хвостов флокулы, за счет чего происходит снижение водоотдачи. Следствием повышения пористости будет снижение плотности и уменьшение объема твердого, размещаемого в выработанном пространстве карьера.

Механическое воздействие нагрузки на сгущенную пульпу показало, что разрушение связей между частицами флокулянта приводит к разжижению пасты и потере вязкости. Так же разрушение связей ведет к изменению угла растекания в пределах 4-20°, увеличению водоотдачи, скорости уплотнения массива (рис. 5).

Рис. 5 - График влияния водоотдачи от времени механического воздействия на сгущенные отходы

На основе полученных данных компрессионных испытаний сгущенного продукта были рассчитаны водопритоки в подземный рудник от объемов размещаемой в карьере пульпы, имеющей угол растекания 12°.

В процессе проведения испытаний сгущения пульпы отбирались пробы, производился анализ водоотдачи хвостами обогащения. Выполнена аппроксимация результатов исследований и получены следующие эмпирические зависимости (рис. 6).

В ходе проделанных опытов установлено, что хвосты отдают 90 % свободной воды в течение 72 часов, из проб выделяется следующее количество воды в зависимости от соотношения Т:Ж=65:35 - 51,9 %; 70:30 - 34,1%; 72:28 -

•-Время перемешивания О мин -Время перемеш

27,8%. Расчет водоотдачи по полученным эмпирическим зависимостям выявил максимальную погрешность в 3,4 %.

Рис. 6 - Графики отдачи воды хвостами обогащения: 1 — при содержании твердого в пульпе 65% по массе; 2 - при содержании „ м г„ 30 ™ 5» 60 70 30 твердого -70 %; 3 - при содержании

_ ТМ5! твердого - 72 %

Так же было установлено, что сгущенная пульпа при уплотнении отдает только часть свободной воды, оставшаяся же ее часть сосредотачивается в порах между частицами хвостов, в связи с чем даже при значительном уплотнении она не теряет своих реологических свойств и подвержена процессу текучести. Исходя из этого рекомендуется уделить повышенное внимание к изоляции выработок подземного рудника.

Для уточнения свойств пульпы закономерностей их изменения, полученных в лабораторных условиях, проведены опытно-промышленные испытания (ОПИ) технологии формирования искусственного массива. Исследования включали натурные наблюдения за седиментационными процессами, режимами водоотдачи, уплотнения, намыва массива, кольматации приконтурного и сыпучего массива внутреннего отвала.

Проведение ОПИ осуществлялось в два этапа: без использования флоку-лянта и с флокулянтом «№1со». Соотношение твердого к жидкому изменялось от Т:Ж=65:35 до Т:Ж=75:25, плотность выдерживалась в пределах от 1,9 до 2,3 т/м\ проводились отборы проб и оценивались реологические свойства.

Установлено, что высокая пустотность массива ограждающих дамб карты намыва привела к активной миграции сгущенных хвостов обогащения, обладающих высокой подвижностью и проникающей способностью, в тело дамбы. Угол растекания сгущенных хвостов обогащения изменялся в пределах 2-3°, что значительно отличается от данных, полученных в ходе проведения пилотных испытаний.

Максимальная водоотдача сгущенных хвостов (рис. 7) обогащения фиксировалась в первые трое суток и составляла 37 % от общего объема пульпы. По истечении 60-ти дней после окончания сброса пульпы в карту намыва ее влажность была равна 15%, что составляет 53 % от содержания воды, находящейся в пульпе в момент сброса.

Изучение гранулометрического состава выполнено по взятым пробам площади (рис. 8) карты намыва и глубине намытого массива показало, что массив не однородный, более крупные частицы скапливаются в приповерхностном слое на глубине 300 мм. Это обусловлено динамикой процесса намыва пляжа, в ходе

которого мелкие частицы проникают через крупные и откладываются на дне карты (рис. 9).

5

с 10

X

§

S 5 ш

Время,сутки

Рис.7 - График изменения влажности заложенного массива во времени а)

Рис. 8 - Схема отбора проб по площади карты намыва

б)

я :го

5

п 10

[очки о mona про» -(1)74 —- (-174 ww- (-144

Точки о'1(5ооа проб - (+174 — (-174 (-Н4

Рис. 9 - Графики распределения фракций состава закладки на глубине 300 мм по линиям карты намыва: а) - А-А; б) - Б-Б

Картирование рабочих горизонтов Учалинского карьера показало, что в его борта выходят 52 подземные горные выработки различного назначения: камеры, заложенные твердеющей закладкой; разведочные и закладочные скважины, связанные с выработками подземного рудника. Предотвращение проникновения сгущенных хвостов обогащения в горные выработки возможно обеспечить возведением изолирующих перемычек и погашением части выработок, неиспользуемых на руднике, тампонированием выходов скважин и целенаправленным заложением водоперепускных скважин.

Опыт промышленных испытаний показал, что применение бетонных одноступенчатых клинчатых водонепроницаемых перемычек экономически рациональней, чем безврубовых прямоугольных перемычек. В свою очередь в вертикальных выработках целесообразно возведение перемычек из скальной наброски (рис. 10) обеспечивающих предотвращение проникновения пульпы к охраняемым объектам.

Для формирования перемычек из скальных пород рекомендуется крупноблочный материал, размещаемый в основании восстающего для предотвращения его смещения, и класса -5+3 мм, как защитный слой, предупреждающий проникновение пульпы на охраняемый горизонт.

а)

Затопляемы:: гори юн I

б)

/

Ш

Скальная наброска (фракция

огсева -5+3 мм)

/скальная наброска (фракиия Э'НЙ мм)

Рис. 10 - Схемы перемычек в вертикальных выработках: а) - из скальных пород; б) - из бетона

Расчет толщины защитного противофиль-трационного слоя показал, что при давлении столба пульпы высотой 430 м она составит 1,5 м.

В связи с возможностью проникновения мелкой фракции защитного слоя в тело перемычки из скальных пород принимается толщина слоя, равная 2 м.

Для определения толщины перемычек из сыпучих скальных пород для вертикальных выработок (рис. 10. а) предложена зависимость:

tg- 45-

Гюг'ёцКЬщ

(3)

где яп - величина гидростатического давления, МПа; Ь и Ь' - длина и ширина восстающего, м; у„ор - удельный вес обрушенной породы, т/м3; <р - угол трения обрушенной породы по почве и стенкам выработки, градус: 11раСп- высота распора действующая на верхней части перемычки; а - угол обрушения воронки, градус; ср, - утол трения обрушенной породы градусы; т, - коэффициент, учитывающий площадь контакта сыпучих пород перемычки на контуре восстающего; пь - коэффициент. учитывающий гидрогеологические условия: ш3 - коэффициент, учитывающий шероховатость стенок; к„ - высота выработки, м; а - ширина выработки. м; а - угол обрушения воронки, градус.

Для предотвращения проникновения пульпы из чаши карьера в подземные выработки создается дренажная система, включающая отвал пород, на поверхности которого сооружается противофильтрационный экран из материала класса +3+-5 мм, пропускающий воду, но удерживающий твердую фазу пульпы (рис. 10). так как надежно кольматируется при контакте с пульпой.

Для обеспечения перепуска воды из карьера на нижележащие горизонты в донной части карьера оборудуются водоперепускные скважины (рис. 11). либо проходится восстающий.

Моделирование процессов формирования массивов из сгущенных хвостов обогащения в карьере позволяет влиять на основные этапы закладки с определением мест подачи и сброса пульпы, объема и конфигурацию массива для календарной увязки с работами подземного рудника по модернизации водоотлива, устройству водонепроницаемых перемычек, вентиляции, прокладке трубопроводов.

Учалинского подземного рудника

По результатам исследования разработана методика выбора рациональной технологии заполнения карьера сгущёнными отходами обогащения в условиях совмещения работ по формированию искусственного массива с подземными работами в зоне влияния карьера.

Апробация разработанных рекомендаций по технологии гидрозакладки карьерного пространства проведены на примере Учалинского подземного рудника. Расчет стоимости укладки отходов обогащения в Учалинском карьере производился для двух вариантов: с устройством упрочненного искусственного целика в донной части карьера и без него, т.е. по первому варианту размещения мощность барьерного целика была меньше допустимой, а по второму более допустимого по правилам безопасности.

Сравнение удельных эксплуатационных затрат предлагаемых вариантов со стоимостью размещения отходов в поверхностном хвостохранилище (45 руб/т) показало предпочтительность заполнения карьерного пространства сгущенными отходами. Экономия на эксплуатационных затратах составит 36, 6 млн.руб/год, что обусловлено отсутствием экологических платежей за размещение отходов и необходимостью осуществлять дополнительные капитальные затраты на наращивание дамб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся законченной научно-квалификационной работой, дано решение актуальной научно-практической задачи - обоснованы параметры технологии формирования техногенного массива из отходов обогащения в выработанном карьерном пространстве при комбинированной разработке мед-ноколчеданных месторождений, что обеспечивает снижение эксплуатационных расходов на размещение отходов обогащения, повышение эффективности освоения месторождений и имеет важное значения для развития горнопромышленного комплекса России.

1. Анализом отечественной и зарубежной практики размещения отходов обогащения показано, что выработанное карьерное пространство используется для складирования текущих отходов обогащения только в карьерах, не подработанных подземными работами. В условиях совмещения с подземными работами технология закладки характеризуется наличием серьезных проблем, таких как прорывы пульпы, низкая плотность формируемого массива, низкий коэффициент использования вместимости карьерного пространства, высокие затраты на изоляцию, подземный водоотлив, содержание плавучей насосной станции.

2. Оценка горнотехнической ситуации на Уральских медноколчеданных месторождениях, отрабатываемых открыто-подземным способом, показала что объемы выработанных карьерных пространств, которые составляют более 560 млн м3, не используются в качестве емкости для размещения текучих хвостов обогащения в связи с производством горных работ в зоне влияния карьера.

3. Проработкой вариантов использования медноколчеданных месторождении установлено, размещение текущих хвостов обогащения нецелесообразно в связи с высокой нарушенностью прикарьерного массива, приводящей к росту водопротоков (до 0.5-0,7 м3/м3 пульпы) в выработки подземного рудника, формированию водонасыщенного слабоуплотненного массива, необходимостью значительных затрат на изоляцию выработок.

4. Изучение свойств массивов, формируемых из тонкодисперсных материалов. показало: возможность снижения величин водопротоков в подземные выработки, повышения полноты использования карьерного пространства, плотности формируемого массива за счет подачи сгущенных хвостов обогащения. Современные способы обезвоживания отходов обогащения обеспечивают получение высокоплотных суспензий (до 2,5 т/м3).

5. Разработана классификация технологических схем размещения отходов обогатительного передела в выработанном карьерном пространстве по степени совмещения работ по закладке карьера с подземными работами, фазовому состоянию отходов обогащения, занятости карьерного пространства, возможности подземного водоотлива, нарушенное™ прикарьерного массива, позволяющие обоснованно выбрать рациональный способ формирования техногенного массива.

6. Изучены физико-механические свойства пульпы отходов: пористость, модуль деформации, угол внутреннего трения, вязкость, утол растекания и их зависимости от факторов: гранулометрического состава, давления, содержания твердого, позволяющие определять такие технологические свойства формируемого техногенного массива, как влажность, плотность, деформация, водоотдача.

7. Показано, что сгущенная пульпа хвостов обогащения обладает высокой кольматирующей способностью. Исследованиями установлена зависимость проникающей способности частиц хвостов обогащения от давления в сыпучий скальный массив. Определён гранулометрический состав фильтрационных экранов (+3-5 мм), обеспечивающий кольматацию каналов тонкодисперсным материалом.

8. Исследованиями установлено, что эффективным способом изменения свойств пульпы является использование флокулянтов при обезвоживании отходов обогащения. Так, варьируя расходом флокулянтов. возможно корректировать - угол растекания от 3° до 25°; плотность формируемого массива от 1,5 до 2.5 т/м3, предел текучести от 20 до 250 Па.

9. Исследования водонасьпценности техногенного массива свидетельствуют о том, что отдача им свободной воды зависит от гранулометрического состава и содержания твердого в пульпе. Основная часть воды (90%) отдается масси-

вом в первые сутки. Использование флокулянтов при сгущении пульпы приводит к росту пористости и влажности массива, снижению водоотдачи, что объясняется наличием капиллярной воды. Разрушение флокулянта механическим воздействием позволяет повысить водоотдачу и плотность техногенного массива.

10. Расчетами конструкции перемычек для горизонтальных выработок показано, что применение бетонных клинчатых одноступенчатых перемычек экономически целесообразнее, а для вертикальных - нз скальных пород с устройством противофильтрационного слоя из фракционированного материала.

11. Разработаны рекомендации и методика выбора и обоснования параметров технологии заполнения карьерного выработанного пространства отходами обогащения в условиях его подработки подземными работами, позволяющие учитывать удаленность фронта очистных работ, степень нарушенности прикарь-ерного массива, физико-механические свойства хвостов обогащения, а так же прогнозировать технологические характеристики формируемого массива и величину водопритоков.

12. Обоснована техническая возможность и целесообразность использования выработанного пространства Учалинского карьера для размещения сгущенных отходов обогащения. Расчетный годовой экономический эффект от снижения затрат на размещение 1 т сгущенных отходов составляет 36.6 млн. руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ

1. Зубков, A.A. Анализ факторов рационального и безопасного формирования техногенных массивов из текущих отходов обогащения в выработанных пространствах карьеров /В.Н.Калмыков. В.В.Олизаренко. А.А.Зубков /Проблемы проектирования технологии подземной и комбинированной разработки рудных месторождений //Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2013. № 5. - С. 71-77.

2. Зубков, A.A. Опытно-промышленные испытания технологии закладки выработанного пространства Учалинского карьера отходами обогатительного передела /В.Н.Калмыков. О.В.Зотеев, Ан.А.Зубков. А.А.Гоготин, А.А.Зубков // Известия вузов. Горный журнал. - 2013. № 7. - С. 4-9.

3. Зубков, A.A. Исследование физико-механических свойств отходов обогащения для разработки технологии формирования закладочного массива в выработанном пространстве карьера «Учалинский» /В.Н.Калмыков О.В.Зотеев. Ан.А.Зубков. А.А.Гоготин. А.А.Зубков//Вестник Магнитогорского государственного технического университета. - 2013. № 4. - С. 11-19.

Прочие научные издания

4. Зубков. A.A. Рудничный водоотлив Учалинского подземного рудника с учетом дренажа воды в заложенного пространства карьера хвостами обогатительной фабрики /В.В. Олизаренко. А.А.Зубков //Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 69-й научно-технической

конференции. - T.l. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2011. -С. 32-34.

5. Зубков, A.A. Разработка технологии закладки Учалинского карьера сгущенными отходами обогатительного производства/ О.В.Зотеев, В.Н.Калмыков, А.А.Гоготин. А.Е.Зубков. И.Х. Ахмедъянов. А.А.Зубков. Д.А.Бондаренко // Комплексное освоение месторождений полезных ископаемых: сборник научных трудов. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова. 2013. -С. 44-47.

6. Зубков. A.A. Обоснование возможности применения сгущённых отходов обогатительного передела для закладки Учалинского карьера/ В.Н. Калмыков. A.A. Гоготин, А.А.Зубков // 70-я научно-техническая конференция. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012 г. - Т. 1. -С. 100-102.

7. Зубков. A.A. Оценка объемов выработанных пространств в недрах земли по проектным данным и данным маркшейдерских съемок / В.В. Олизаренко. Ан.А. Зубков. А.А.Зубков, И.С. Туркин. И.Х. Ахмедьянов. Михальчук А.П., Головин A.B. // Маркшейдерское и геологическое обеспечение горных работ, сб. науч. тр. г. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова." 2013. - С. 163-170.

8. Зубков. A.A. К вопросу рекультивации карьера «Учалинский» с использованием отходом обогащения / А.А.Гоготин, И.А.Пыталев, А.А.Зубков //Комбинированная геотехнология: масштабы добычи и качество сырья при комплексном освоении месторождений: материалы международной научно-технической конференции - Магнитогорск. 2013: - сб. тезисов,- Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова. 2013. -С.58-59.

9. Зубков. А. А. Разработка технологии складирования отходов обогатительного предела в выработанных пространствах карьера и шахт при освоении медноколчеданных месторождений Урала / А.Е. Зубков, О.В. Зотеев. В.Н. Калмыков, А.А.Гоготина. А.А.Зубков // Материалы международной научно-пра-кгической конференции «Создание высокоэффективных производств на предприятиях горно-металлургического комплекса», - Екатеринбург: Уральский работай, 2013. -С. 9-10.

Подписано в печать 22.11.2013 Формат 60x84/16 Бумага тип№1

Плоская печать. Усл.печ.л 1,00. Тираж 100 экз. Заказ номер 666

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

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Зубков, Артем Анатольевич, Магнитогорск

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ «МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ.Г.И. НОСОВА»

04201454503

На правах рукописи

ЗУБКОВ АРТЕМ АНАТОЛЬЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ МАССИВОВ ИЗ ОТХОДОВ ОБОГАЩЕНИЯ В ВЫРАБОТАННОМ КАРЬЕРНОМ ПРОСТРАНСТВЕ ПРИ ОТКРЫТО-ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ МЕДНОКОЛЧЕДАНЫХ

МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальности 25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -профессор, доктор технических наук

В.Н.Калмыков

Магнитогорск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ...................................................................................3

1. Обобщение отечественного и зарубежного опыта формирования техногенных массивов в выработанном карьерном пространстве на основе отходов обогащения.....................................................10

1.1. Анализ опыта размещения отходов обогащения в выработанном пространстве карьеров...............................................................10

1.2. Способы подготовки отходов обогащения для размещения в хвостохранилищах и приготовления закладки.................................24

1.3. Гидрогеологическая и горнотехническая характеристика выработанных карьерных пространств и способы подготовки их

к закладке отходами обогащения.................................................33

1.4. Анализ способов изоляции горных выработок от прорыва

воды, пульпы...........................................................................40

Цель, задачи и методы исследования.............................................47

2.2.Обоснование исходных данных и методика исследований..........50

2.1. Оценка горно-геологической и горнотехнической ситуации

при освоении медноколчеданных месторождений открыто-подземным способом.................................................................................50

2.2. Свойства отходов обогатительного передела...............................58

2.3. Классификация технологических схем использования карьерных пространств для размещения отходов обогатительных фабрик при комбинированной геотехнологии...................................66

2.4. Конструирование технологических схем размещения отходов обогащения в карьере при совмещении с подземными работами...........69

2.5. Составление методики выбора и обоснования и параметров технологии закладки карьерного пространства сгущенными

отходами обогащения...................................................................

Выводы по главе 2....................................................................................................................77

3. Исследование технологических процессов закладки выработанного

карьерного пространства сгущенными отходами обогащения

3.1. Определение свойств отходов обогащения, размещаемых в карьере....78

3.2. Изучение закономерностей намыва искусственного массива

в карьере................................................................................... 86

3.3. Разработка способов изоляции выработанного пространства карьера. .101 3.4 Исследование свойств формируемых в карьере массивов из отходов

обогащения...............................................................................108

Выводы по 3 главе.......................................................................116

4. Разработка рекомендаций по заполнению карьерного пространства сгущенными отходами обогащения и их технико-экономическая оценка................................................................118

4.1.Технологические и технические решения по размещению

отходов обогащения в карьерном пространстве Учалинского карьера......118

4.2. Технические решения по отведению воды и изоляции карьера и подземных выработок................................................................. 124

4.3. Экономическая эффективность размещения отходов в выработанном пространстве карьера.............................................. 127

4.4. Методика выбора и обоснования закладки выработанного

пространства карьера отходами обогащения.................................. 132

Выводы по 4 главе..................................................................... 135

Заключение............................................................................. 136

Список использованных источников........................................... 139

Приложения............................................................................ 155

ВВЕДЕНИЕ

До настоящего времени отходы обогащения руд складируются в хвостохранилищах различного типа, занимающих только на Урале более 500 гектаров земель, при ежегодном приросте объемов техногенного сырья свыше 15 млн.т, так как для производства 1 тонны меди необходимо переработать до 100 т горной массы. Экологические выплаты за эксплуатацию хвостохранилищ, как опасных производственных объектов, достигают 15 % от затрат на добычу и переработку руды.

В промышленно развитых районах, каким является Уральский регион, выделение земель, особенно находящихся в сельскохозяйственном обращении, существенно осложнено. Решение данной проблемы возможно за счет использования в качестве емкости для размещения отходов горного производства выработанных пространств карьеров и подземных рудников, объемы которых только на медноколчеданных месторождениях составляют свыше 560 млн.м3.

Однако внедрение технологии формирования искусственных массивов в карьерном пространстве при комбинированной разработке месторождения сдерживается недостаточной изученностью процессов намыва жидких отходов обогащения в выемках, расположенных в нарушенном массиве и имеющих связь с подземными горными выработками действующего рудника.

Анализ имеющегося опыта использования выработанных пространств показал, что размещение в них отходов обогащения ведет к формированию водонасыщенных слабоуплотняемых массивов, характеризующихся низкими значениями предела текучести, что позволяет отнести их к категории опасных и весьма опасных по прорывам.

Использование карьерных пространств, подрабатываемых подземными работами, и заполняемых текущими отходами обогащения, будет приводить к дренированию больших объемов воды в подземные выработки, необходимости изоляции подземных работ, неполному использованию

карьерного пространства. Поэтому обоснование эффективных технологий формирования искусственных массивов из отходов обогащения в выработанном карьерном пространстве, при совмещении процессов заполнения карьера и подземных горных работ, представляет весьма актуальную научно-практическую задачу.

Целью работы является обоснование параметров технологии формирования закладочного массива из отходов обогащения в выработанном карьерном пространстве в условиях совмещения с подземными работами, обеспечивающих эффективность размещения отходов и безопасность подземных работ.

Идея работы состоит в использовании установленных зависимостей технологических параметров формируемого массива от физико-механических свойств сгущенных отходов обогащения при обосновании параметров технологии закладки карьера, обеспечивающих повышение полноты использования карьерного пространства, плотности техногенного массива, снижение объемов воды, поступающей в подземные выработки.

Объект исследований - открыто-подземная комбинированная геотехнология освоения медно-колчеданных месторождений.

Предмет исследования - технология заполнения выработанного пространства карьеров отходами обогащения.

Задачи исследований:

1. Анализ и обобщение опыта и существующих методик выбора и обоснования параметров технологии закладки выработанного пространства карьеров отходами обогащения.

2. Оценка горнотехнической ситуации при комбинированной разработке медноколчеданных месторождений.

3. Исследование свойств отходов обогатительного производства при освоении медноколчеданных месторождений. Способы подготовки отходов обогащения перед подачей в карьерное пространство.

4. Разработка технологических схем заполнения карьера отходами обогащения при освоении медноколчеданных месторождений и их классификация, исследование факторов, влияющих на технологию заполнения карьера.

5. Технико-экономическая оценка технологических схем заполнения карьерного пространства сгущенными отходами обогащения. Разработка методики выбора рациональных вариантов схем, апробация и внедрение рекомендаций.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий определение состава и свойств текущих и сгущенных отходов обогащения и формируемого массива, физическое и компьютерное моделирование, экономические расчеты, статистическую обработку результатов исследований и их технико-экономический анализ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Выбор рационального способа формирования в отработанном карьере техногенного массива из отходов обогащения обеспечивается использованием технологических схем, дифференцированных по фазовому состоянию отходов обогащения, нарушенности прикарьерного массива, степени совмещения с подземными работами.

2. В условиях совмещения процессов заполнения карьера отходами обогащения с подземной добычей в подкарьерной зоне, формирование техногенного массива с рациональными технологическими параметрами (плотность, пористость, влажность, угол растекания) обеспечивается за счет управления физико-механическими свойствами сгущенных хвостов обогащения (содержание твердого от Т:Ж=65:35 до Т:Ж=75:25 и расход флокулянтов), а так же использования эффекта кольматации сыпучих сред и нарушенного массива для изоляции карьерного пространства.

3. Повышение полноты использования карьерного пространства, форма и объем искусственного массива обеспечиваются применением сгущенных

хвостов обогащения, рациональным размещением точек сброса их в карьер, сбором и перепуском избыточной воды на нижних горизонтах карьера в подземные выработки с помощью дренажной системы. В качестве дренажной системы применяются фильтрационные экраны и комплекс перепускных скважин.

Научная новизна работы:

1. Классификация технологических схем формирования искусственного массива в выработанном карьерном пространстве из сгущенных отходов обогащения медноколчеданных руд, отличающаяся учетом фазового состояния отходов, совмещения с подземными работами, состояния карьерного пространства и положения фронта подземных работ.

2. Методика обоснования параметров технологических схем заполнения выработанного карьерного пространства сгущенными отходами при совмещении закладочных и подземных горных работ.

3. Эмпирические зависимости: физико-механических характеристик (модуль упругости, пористость, коэффициент Пуассона) формируемого массива от создаваемого им давления; угла растекания и водоотдачи от консистенции и расхода флокулянта; глубины проникновения пульпы в сыпучий массив от величины гидростатического напора.

Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечивается: представительностью и надежностью исходных данных; адекватностью разработанных имитационных моделей условиям закладки выработанного карьерного пространства; сопоставимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, обработанных методами математической статистики; использованием современного оборудования и апробированных методик.

Практическая значимость работы состоит в разработке: технологических схем заполнения карьеров сгущенными хвостами обогащения, обеспечивающих повышение его вместимости и плотности

техногенного массива, рекомендаций по сооружению фильтрационных экранов и дренажных систем в горизонтальных и вертикальных выработках, формированию водонепроницаемых перемычек.

Реализация работы. Результаты работы использованы при разработке технологического регламента «Закладка отработанного пространства Учалинского карьера твердеющими смесями на основе отходов обогащения», выполнении государственного контракта с Минобрнаукой РФ №16.515.11.5065 от 30 сентября 2011 г. «Изыскание технологии комплексного освоения рудных месторождений с активной утилизацией некондиционного сырья»; чтении дисциплины «Комплексное освоение рудных месторождений» в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова».

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследований, сборе исходных данных, разработке классификации технологических схем закладки выработанного карьерного пространства отходами обогащения, обосновании методики экспериментальных исследований технологии на физических моделях и в промышленных условиях, обработке результатов, в разработке рекомендаций по закладке сгущенными хвостами обогащения Гайского и Учалинского карьеров, технологии возведения водонепроницаемых перемычек, апробации рекомендаций в промышленных условиях.

Апробация работы. Основные результаты, положения и выводы докладывались и обсуждались на Международных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2010-2013 гг); VI и VII Международных конференциях «Комбинированная геотехнология: теория и практика реализации полного цикла комплексного освоения недр» (Магнитогорск, 2011 и 2012 гг); 69 и 70 Межрегиональных научно-технических конференциях: «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (г. Магнитогорск, МГТУ, 2011-2012 гг); «Маркшейдерское и геологическое обеспечение

горных работ» (г. Магнитогорск, 2013 г); технических советах Учалинского и Гайского ГОКов (Учалы, Гай 2012-2013 гг); Всероссийской молодежной научно-практической конференции (с участием иностранных ученых) «Проблемы недропользования» (г. Екатеринбург, ИГД УрО РАН, 2013г).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 9 работах, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 138 наименований и содержит 160 страниц машинописного текста, 76 рисунков, 17 таблиц.

Автор выражает благодарность сотрудникам кафедр ПРМПИ и ОПИ Института горного дела и транспорта МГТУ им. Г.И.Носова, сотрудникам ИПКОН РАН за научные консультации и замечания при выполнении и обсуждении результатов исследований, а также руководству ОАО «Учалинский ГОК» за содействие в организации лабораторных и опытно-промышленных исследований.

1. Обобщение отечественного и зарубежного опыта формирования техногенных массивов в выработанном карьерном пространстве на основе отходов обогащения

1.1. Анализ опыта размещения отходов обогащения в выработанном пространстве карьеров

Анализ многочисленных исследований, посвящённых накопленному опыту размещения отходов горно-обогатительного производства в выработанных пространствах на поверхности [7, 9, 19, 21, 71, 116-118] и в недрах Земли [3, 4, 6, 21, 37, 59-61], свидетельствует о широком использовании данных видов георесурсов, что способствует существенному снижению негативного воздействия на окружающую среду и решению проблем комплексного освоение недр [5, 18, 89].

Отходы горно-обогатительного и металлургического производства: добычи (твердые насыпные - некондиционные руды, вмещающие и вскрышные породы); обогащения (жидкие - пульпа хвостов: текучих; сгущенных; пастообразных; твердых — термически сушеные окатыши из сгущенной пульпы хвостов); переработки руд (насыпные твердые - шлаки доменного и мартеновского передела); емкостные горнотехнические сооружения на поверхности (заглубленные выработанные карьерные пространства, насыпные дамбы хвостохранилищ) и в недрах Земли (выработанные подземные камеры и другие горные выработки), полученные и созданные в результате производственной деятельности промышленных предприятий, принято называть техногенными образованиями [64, 80, 81].

О масштабах техногенных образований можно судить по тому, что до 95% от общего объема горной массы, извлекаемой из недр, накапливается в виде отходов в отвалах, складах некондиционных руд и других хранилищах техногенного сырья [106, 7]. К примеру, для производства 1 тонны меди необходимо переработать около 100 т горной массы. Таким образом, 99 т отходов переработки этой горной массы складируются на земной поверхности.

С каждым годом образование отходов горных предприятий существенно растет при одновременно усложняющихся горно-геологических условиях разработки месторождений, снижении среднего содержания полезных компонентов,

вовлекаемых в разработку запасах, отсутствии свободных земель для размещения отвалов и хвостохранилищ. Тем самым на земной поверхности формируются огромные по занимаемой площади и высоте хвостохранилища и отвалы различных видов отходов, как горного, так и металлургического производства [4, 45, 48, 65, 106].

В настоящее время площади земли под хвостохранилища только в Уральском регионе занимают более 503,7 га (табл.1.1, рис. 1.1) и имеется устойчивая тенденция к их увеличению, при ежегодном приросте текущих отходов до 15 млн.т. хвостов [7, 45, 106].

Хвостохранилища занимают значительные площади по отводу земель, а мощность слоев хвостов, складированных в них, достигает 40 м. Такие геометрические параметры определяют необходимость постоянного наращивания дамб и поддержания ста�