Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование технологии формирования долговременных складов горных пород-отходов карьерного производства

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

Автореферат диссертации по теме "Обоснование технологии формирования долговременных складов горных пород-отходов карьерного производства"

На правах рукописи

РУСАК Олег Евгеньевич

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ ДОЛГОВРЕМЕННЫХ СКЛАДОВ ГОРНЫХ ПОРОД -ОТХОДОВ КАРЬЕРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная,

открытая и строительная)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13 • ^¡3

Санкт-Петербург - 2013

005061845

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Холодняков Генрих Александрович

Официальные оппоненты:

Квитка Валерий Васильевич доктор технических наук, ЗАО НПК «Механобр-техника», директор по горно-металлургической отрасли

Грицай Алексей Леонидович кандидат технических наук, ООО «Институт Гипроникель», главный специалист

Ведущая организация - ОАО «Институт по проектированию горнорудных предприятий Гинроруда».

Защита состоится 28 июня 2013 г. в 14 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» но адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 28 мая 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ /¿У СИДОРОВ

диссертационного совета Дмитрий Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время горные породы, которые могли бы быть использованы в будущем, размещаются в отвалах. Хотя зачастую отвалы именуются техногенными месторождениями, из них практически невозможно извлечь полезный компонент, так как нет технологий для определения его содержания и размещения в теле насыпи, сформированной бессистемным образом. Целенаправленное размещение горных пород в насыпи с ведением соответствующей документации позволяет создавать залежи с известными параметрами полезного компонента. Такие работы, отличающиеся от отвалообразования системным подходом и получаемой в итоге насыпью с известными параметрами, называются складированием. Формирование склада с ведением специального паспорта склада позволяет создавать перспективные для разработки в будущем техногенные месторождения с известными и задокументированными параметрами.

Значительные объемы вывозимых в отвалы горных пород целесообразно селективно складировать для сохранения в целях разработки в будущем. В специальных складах можно было бы сохранять забалансовые руды, вскрышные горные породы, пригодные, например, для производства строительных материалов, попутные полезные ископаемые. В законе РФ «О недрах» от 21.02.1992 №2395-1 говорится о том, что «пользователи недр, осуществляющие переработку получаемого ими из недр минерального сырья, обязаны обеспечить складирование, учет и сохранение временно не используемых продуктов и отходов производства, содержащих полезные компоненты». Однако, применяемые на практике методы валового отвалообразования, несмотря на свою дешевизну и простоту организации работ, не позволяют в полной мере обеспечить выполнение условий, поставленных законодательством Российской Федерации.

В случае формирования склада с потенциально полезными горными породами необходимо оградить как сами складируемые породы от внешнего воздействия, так и окружающую среду от

возможного негативного влияния склада. В этих целях можно использовать малопригодные в производстве, но, зачастую, в больших количествах извлекаемые потенциально плодородные породы. Формируя из них периферийную часть склада, можно облегчить процесс горно-планировочных работ. Такие породы, как правило, извлекаются в начальный период разработки карьера. И их размещение по конечному контуру склада позволяет начинать процесс формирования техногенного месторождения еще до того, как начнется складирование собственно консервируемых горных пород.

Вопросам отвалообразования и складирования, рационального использования минеральных ресурсов посвящены исследования следующих ученых: А.И. Арсентьева, Е.Б. Гридиной, Н.В. Мельникова, И.И. Русского, П.И. Томакова, К.Н. Трубецкого, Г.А. Холоднякова и др. Несмотря на то, что утилизация пород уже долгое время является важным вопросом горной науки, проблема технологий формирования техногенных месторождений путем складирования неиспользуемых пород до сих пор является актуальной.

Основным направлением диссертационной работы является научное обоснование технологии формирования долговременных складов горных пород, позволяющей в процессе утилизации неиспользуемых пород создавать перспективные для разработки в будущем техногенные месторождения.

Цель работы. Разработка и обоснование параметров технологии формирования долговременных складов горных пород -отходов карьерного производства.

Идея работы. Временно неиспользуемые породы, пригодные для разработки в будущем, необходимо размещать в специальных складах, периферийная часть которых формируется с использованием потенциально плодородных пород, извлекаемых из карьера в начальный период его эксплуатации, что позволяет в процессе их утилизации создать фронт для последующих складских работ.

Основные задачи исследований:

1. Анализ существующих и применяемых на практике технологий отвалообразования и складирования горных пород.

2. Разработка технологии формирования склада и обоснование его параметров в зависимости от высоты склада, объемов складируемых пород и их свойств.

3. Установление зависимости объемов потенциально плодородных пород от складируемых потенциально полезных пород при различных формах склада и различном числе ярусов.

4. Экономическое обоснование целесообразности селективного формирования складов горных пород.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использован комплексный подход, включающий: анализ отечественной и зарубежной литературы; проведение в лабораторных условиях исследований биопродуктивности потенциально плодородных пород; математическое моделирование и обработку результатов исследований на ЭВМ.

Научная новизна:

1. Установлены зависимости параметров долговременных складов от совокупности объема складируемых пород, их физико-механических свойств, высоты склада, его формы, угла откоса и количества ярусов.

2. Установлена зависимость эффективности работ по закреплению пылящих поверхностей склада от состава смеси вносимой в его поверхностный слой на этапе горно-технической рекультивации с целью обеспечения устойчивости и сохранности границ и формы склада.

Основные защищаемые положения:

1. При углубочной системе разработки с применением автомобильного транспорта на вскрышных работах временно неиспользуемые породы, применение которых возможно в будущем, целесообразно размещать в складах, откосная часть которых формируется из потенциально плодородных пород.

2. При формировании долговременного склада следует учитывать мощность разнотипных горных пород, укладываемых в нем, что позволяет спрогнозировать объемы планировочных работ и улучшить организацию восстановления нарушенных земель.

3. Эффективность складирования временно

неиспользуемых пород определяется возможной формой складов, их взаимным расположением относительно друг друга и наличием необходимых объемов разнотипных горных пород.

Практическая значимость работы:

■ Разработана методика расчета параметров склада при его формировании с целью создания техногенного месторождения при различных его формах.

■ Разработан способ повышения биопродуктивности потенциально плодородных пород, использование которого целесообразно в случае, если выход соответствующих пород из карьера не соответствует объемам, необходимым для формирования склада.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается: значительным объемом проанализированной и обобщенной исходной информации для аналитических исследований, значительным объемом экспериментальных исследований в лабораторных условиях, применением современных методов анализа и обработки экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы освещались на: международной научно-технической конференции «Проблемы экологии в минерально-сырьевой отрасли» (Болгария, г. Варна, 2011 г.); международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (г. Воркута, 2011 г.); национальном экологическом форуме «Экология промышленного региона» (Украина, г. Донецк, 2012 г.); международных научных чтениях «Белые ночи - 2012» «Проблемы безопасности XXI века и пути их решения» (Украина, г. Киев, 2012 г.).

Личный вклад автора. Анализ и обобщение существующего опыта утилизации горных пород - отходов, создание и обоснование технологии формирования долговременных складов, методика расчета параметров складов по предложенной технологии, участие в лабораторных исследованиях при разработке технологии повышения биопродуктивности горных пород,

формулировка задач исследований, основных научных положений и выводов.

Публикации. Основные результаты исследований представлены в 9 опубликованных работах, из них 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, и в 1 патенте на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 126 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 99 наименований, включает 13 рисунков и 19 таблиц.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю профессору Г.А. Холоднякову, развитие идей которого, постоянное внимание и помощь способствовали успешному выполнению работы, а также сотрудникам кафедры Разработки месторождений полезных ископаемых.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава диссертации посвящена анализу существующих подходов к утилизации неиспользуемых пород, состоянию исследований проблемы складирования пород - отходов с целью последующей разработки.

Во второй главе приведены общие сведения о ключевых особенностях формирования складов горных пород и рассмотрена технология повышения биопродуктивности потенциально плодородных пород.

В третьей главе рассмотрена предлагаемая технология формирования долговременных складов горных пород и предложены методики расчета их параметров при разных их формах и различном количестве ярусов.

В четвертой главе рассмотрен способ оценки целесообразности складирования горных пород и приведены результаты технико-экономической оценки эффективности складирования забалансовых руд на Костомукшском железорудном месторождении.

Основные результаты исследований отражены при доказательстве следующих защищаемых положений:

1. При углубочной системе разработки с применением автомобильного транспорта на вскрышных работах временно неиспользуемые породы, применение которых возможно в будущем, целесообразно размещать в складах, откосная часть которых формируется из потенциально плодородных пород.

При селективном формировании склада возможно усложнение технологии вскрышных и складских работ. Однако, создаются благоприятные условия для последующего освоения восстановленных площадей и удешевляются рекультивационные работы за счет снижения объемов горно-планировочных работ.

На рисунке 1 представлена технология формирования склада, предусматривающая отсыпку приоткосной его части из потенциально плодородных пород.

Рисунок 1 - Порядок формирования одноярусного склада а) - формирование периферийной части склада, б) - отсыпка складируемых пород, в) - нанесение потенциально плодородных пород на горизонтальную поверхность склада, г) - выполаживание откосов и нанесение на поверхность склада почвенного

слоя

На начальном этапе формирования склада (рисунок 1а) потенциально плодородными породами отсыпается периферийная часть склада. К тому моменту, когда начнется добыча потенциально полезных пород, которые и составят основной объем склада (рисунок 16), потенциально плодородными породами будет отсыпана значительная часть сооружения по его конечному контуру. Когда ярус достигнет своей конечной отметки по высоте, на его поверхность наносится слой потенциально плодородных пород (рисунок 1в), производится выполаживание откосов и нанесение на горизонтальную и откосную части склада плодородного слоя почвы (рисунок 1г).

При применении данной технологической схемы въезды располагаются в пределах складской площади на откосах склада, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема формирования трехъярусного склада круглой формы с размещением въездов в его откосной части 1 - въезд на склад, 2 - откос яруса склада

Эту технологию целесообразно применять при использовании углубочной системы разработки, так как в таком случае, во-первых, из карьера извлекаются значительные объемы потенциально плодородных пород, что позволяет формировать периферийную часть склада, и, во-вторых, используется транспортная система разработки. В случае применения на карьере автомобильного транспорта возможно обеспечение селективной выемки, погрузки, транспортирования и размещения необходимых для складирования пород.

Рассматриваемая технологическая схема селективного формирования многоярусного склада имеет следующий ряд особенностей: рационально используются потенциально

плодородные породы, удаляемые в первые годы эксплуатации карьера; приоткосная часть склада имеет значительную мощность пригодных для рекультивации пород, что важно для устойчивого роста растений с развитой корневой системой; размещение потенциально плодородных пород в приконтурной части склада способствует уменьшению трудозатрат на выполаживание откоса склада, так как горно-планировочные работы по его откосу осуществляются по мягким породам; после отсыпки периферийной части склада из потенциально плодородных пород и его усадки появляется возможность нанесения на рекультивируемую поверхность плодородного слоя почвы.

На первом этапе расчета параметров склада определяется объем потенциально плодородных пород, необходимых для селективного формирования его откосов:

^н-р + 0,75Н^а), (1)

где кр - объем потенциально плодородных пород, размещаемых в откосной части склада при круглой его форме, м3; Н - высота склада, м; /? — угол выполаживания откоса склада, градус; а - угол естественного откоса склада, градус; У-объем складируемых пород, м3; Кр - коэффициент разрыхления.

Для нанесения на горизонтальную поверхность склада необходимо иметь следующий объем потенциально плодородных пород:

V-,, = тФппС^ -0,5Нс^р)(2)

где - объем потенциально плодородных пород,

размещаемых на горизонтальной поверхности склада при круглой его форме, м3; Ицц - мощность слоя потенциально плодородных пород на горизонтальной поверхности склада, м.

Объем горно-планировочных работ при выполаживании откоса склада до угла ¡3 определяется по формуле:

\'р кт = 0,25ттН:(^Р-с1да) + 0,5Н^Р), (3)

где 1'д кт - объем горно-планировочных работ при выполаживании откоса склада до угла /? при круглой его форме, м3.

На заключительном этапе находится необходимый объем плодородного слоя почвы, укладываемого на откосы склада:

(4)

где - необходимый для укладки на откосы склада круглой

формы объем плодородного слоя ПОЧВЫ, М ; - мощность

наносимого плодородного слоя ПОЧВЫ, м.

На горизонтальную поверхность склада укладывается следующий объем плодородного слоя почвы:

^кг.кр = - 0,5 Над8-у, (5)

где - необходимый для укладки на горизонтальную

поверхность склада круглой формы объем плодородного слоя почвы, м3.

Аналогично производится расчет для прочих форм склада при различном количестве ярусов.

По предлагаемым формулам был выполнен расчет параметров технологической схемы селективного формирования складов для следующих условий: объем складируемых вскрышных пород У= 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 и 90 млн. м3; высота склада Н = 20 м; угол откоса склада равен а = 37°; угол выполаживания откоса склада (3= 21°; коэффициент разрыхления пород Кр= 1,2; мощность укладки потенциально плодородных пород Ьпп= 1,2 м; мощность наносимого плодородного слоя почвы Ьпс= 0,2 м. Результаты расчетов приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Расчет объемов пород при селективном формировании

Объем складируемых временно неиспользуемых пород, млн. м3 Объем потенциально плодородных пород, млн. м3 Объем плодородного слоя почвы, тыс. м3 Объем горнопланировочных работ, тыс. м3

10 1,4 136,8 165,4

20 2,3 263,6 238,2

30 3,2 388,8 294,1

40 4,1 513,2 341,3

50 5,0 637,0 382,8

60 5,9 760,5 420,3

70 6,7 883,7 454,8

80 7,5 1006,7 487,0

90 8,4 1129,5 517,2

Так как рассматриваемая технология предполагает начало отсыпки склада с его конечного контура, формируемого из потенциально плодородных пород, то можно сделать вывод о том, что формирование техногенного месторождения возможно начинать еще на этапе вскрытия месторождения.

К тому времени, как из карьерного поля будет возможно извлечь подлежащие складированию горные породы, значительная часть склада будет отсыпана и, соответственно, будет создан фронт работ для укладки в склад консервируемых пород.

Кроме того, отсыпаемые в периферийной части склада породы являются рыхлыми, что значительно упрощает горно-

планировочные работы, которые по данной технологии предполагается вести с применением бульдозеров.

2. При формировании долговременного склада следует учитывать мощность разнотипных горных пород, укладываемых в нем, что позволяет спрогнозировать объемы планировочных работ и улучшить организацию восстановления нарушенных земель.

На рисунке 3 представлена зависимость доли потенциально плодородных пород от объемов складируемого полезного ископаемого для одноярусного круглого склада, построенная по результатам расчетов, представленных в таблице 1. Видно, что с увеличением объемов складируемого полезного ископаемого, необходимая доля потенциально плодородных пород уменьшается. Зависимость для квадратной формы склада показана на рисунке 4. Она аналогична зависимости на рисунке 3, но необходимые объемы пород несколько выше.

х л о. 5 5 О

О

5

§ £

х А I о

15,0 -р-

V

10,0 ■ ■ Т ф 1 ш ж ж

5,0

о,о

| | | 0 20 40 60 80 100

ч: с &

Объем складируемых временно неиспользуемых пород, млн. мЗ

Рисунок 3 - Зависимость объемов потенциально плодородных пород от объема складируемых временно неиспользуемых пород при формировании одноярусного

склада круглой формы

На рисунке 5 представлена зависимость доли потенциально плодородных пород от объемов складируемого полезного ископаемого для трехъярусного круглого склада при складируемых

13

объемах полезного ископаемого от 50 до 200 млн. м3.

* 20,0

| 1 | 15,0 2 2

~ " ю,0

с£

т С 5 О

¡118 8- 5,0

| §- 1 | ^

I ? % I 0,0

М: с; \£> 5 ' С о <и О.

со

¡1 |ё 11 II 5

20 40 60 80 100

Объем складируемых временно неиспользуемых пород, млн. мЗ

Рисунок 4 - Зависимость объемов потенциально плодородных пород от объема складируемых временно неиспользуемых пород при формировании одноярусного

склада квадратной формы

Щ о I

о

2

5 Я: 5. I

о

8,0 6,0 4,0 2,0 0,0

4 к X, к._

П" \ "1

5

50 100 150 200 250

Объем складируемых временно неиспользуемых пород, млн. мЗ

Рисунок 5 - Зависимость объемов потенциально плодородных пород от объема складируемых временно неиспользуемых пород при формировании трехъярусного

склада круглой формы

Таким образом, можно сделать вывод, что при разных параметрах формируемых складов изменяются объемы необходимых горных пород, что позволяет выбрать для складирования ту технологическую схему, которая наилучшим образом подходит для предприятия. Целесообразность использования той или иной схемы определяется посредством

оценки затрат на складирование и возможной прибыли от реализации складируемой продукции.

3. Эффективность складирования временно

неиспользуемых пород определяется возможной формой складов, их взаимным расположением относительно друг друга и наличием необходимых объемов разнотипных горных пород.

Под эффективностью складирования следует понимать экономический эффект от применения той или иной технологической схемы размещения пород. При одной и той же применяемой технологии затраты на формирование складов будут различаться в зависимости от того, какой формы будет склад, какова будет занимаемая им площадь и достаточен ли объем извлекаемых из карьерного поля пород для выполнения условий, предъявляемых используемой технологией.

Существуют способы размещения разнотипных пород, которые отличаются как по площадям, необходимым для формирования складов, так и по сложности их формирования. Основные схемы представлены на рисунке 6.

а) б) _

Л £

/ 2 '.

в) г>

/ 1 / = \

Д}

Рисунок 6 - Схемы размещения разнотипных пород в складах относительно друг друга а) без примыкания; б) с примыканием по высоте; в) с примыканием в плане; г) с примыканием по высоте и в плане; д) размещение пород с примыканием по высоте, в плане и без примыкания; 1 -4 - разновидности складируемых горных

пород

Все варианты предполагают складирование нескольких типов потенциально полезных горных пород. На примере соответственно двух (рисунки 6а, 66 и 6в), трех (рисунок 6г) и четырех (рисунок 6д) типов пород. Самый эффективный с точки зрения сохранения пород, но нерациональный по занимаемым площадям вариант а), предполагающий размещение горных пород без примыкания друг к другу. Варианты б), в) и г) являются примерами примыкания разнотипных пород друг к другу, соответственно, по высоте, в плане, по высоте и в плане одновременно. Естественно, что при таких схемах будут повышаться потери потенциально полезных пород. С другой стороны, примыкание по высоте позволяет уменьшить необходимую под размещение склада площадь. Наличие в складе двух и более ярусов, сложенных из пород разного типа, усложняет организацию работ по формированию такого склада. Вариант д) предполагает различные комбинации перечисленных выше схем. В данном примере подразумевается, что в ходе складирования разные типы пород будут примыкать друг к другу и в плане, и по высоте, а часть пород будет храниться без примыкания к остальным.

Структура и порядок формирования долговременного склада для хранения горных пород и отвала имеют много общего, поэтому с целью обоснования предлагаемой технологии рассмотрим возможные известные варианты размещения нетоксичных пород в отвале, представленные на рисунке 7.

Во всех вариантах в основание отвала укладываются вскрышные нетоксичные породы. Затем на вскрышные породы укладываются потенциально плодородные породы, если имеется достаточный объем плодородного слоя почвы (рисунок 7а). Если почвенный слой отсутствует или недостаточен для покрытия всей поверхности насыпи, то потенциально плодородные породы укладываются поверх слоя из бесплодных пород (рисунок 76). Если же и слой потенциально плодородных пород по каким-либо причинам отсутствует, то возможно непосредственное нанесение бесплодных пород на поверхность насыпи в качестве рекультивационного слоя (рисунок 7в).

а) б)

Рисунок 7 — Схемы размещения пород в отвале с целью последующей рекультивации а) с ипользованием почвенного слоя в качестве поверхностного слоя, б) с использованием потенциально плодородных пород в качестве поверхностного слоя, в) - с использованием бесплодных пород в качестве поверхностного слоя; 1 - почвенный слой, 2 - потенциально плодородные породы, 3 - бесплодные породы, 4 - вскрышные нетоксичные породы

Анализ схем, приведенных на рисунках 6 и 7 показал, что в зависимости от типа складируемых горных пород при определенных обстоятельствах затраты на складирование могут превысить предполагаемый доход от реализации складируемых пород-отходов.

При этом следует отметить, что отсутствие необходимых объемов пород или плодородного слоя почвы само по себе не является решающим фактором при принятии решения о целесообразности складирования по предлагаемым схемам, если имеется техническая возможность использования альтернативных способов формирования склада с применением, например, бесплодных вскрышных пород, на поверхности которых будет создан плодородный слой с использованием озерного сапропеля, как это отражено в патенте автора №2338355 от 04.06.2007 г. «Способ рекультивации отвалов цементного производства».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой на основе установленной зависимости вместимости склада от объемов потенциально плодородных пород, высоты склада и угла его откоса содержится решение актуальной задачи — обоснование технологии формирования долговременных складов горных пород.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. В России в ходе ведения открытых горных работ ежегодно размещаются в отвалах миллионы тонн горных пород, которые не рассматриваются предприятиями в качестве полезных. Тем не менее, такие отвалы нельзя считать техногенными месторождениями, так как содержание полезного компонента и его распределение в отвалах установить практически невозможно. В работе предложена технологическая схема формирования склада, позволяющая произвести консервацию потенциально полезного ископаемого путем создания техногенного месторождения с заведомо известными параметрами (как самого склада, так и складируемых в нем пород).

2. Для формирования долговременных складов предлагается использовать потенциально плодородные породы. Особенностью технологии является формирование откосной части склада исключительно из потенциально плодородных пород, что упрощает горно-планировочные работы, снижает потери складируемых пород и позволяет вести подготовку к складированию потенциального полезного ископаемого уже на первоначальном этапе разработки месторождения, так как формирование склада начинается с его конечного контура, что позволяет возводить насыпь в соответствии с выходом пород из карьера.

3. Определение параметров склада, селективно формируемого по предложенной технологии, позволяет на этапе проектирования при известных объемах складируемых пород, а так же высоте и ярусности склада выбрать оптимальную технологическую схему складирования, которая позволит, в зависимости от возможностей предприятия, обеспечить утилизацию

большого объема горных пород, изъять меньшие земельные площади, упростить организацию работ и т.п.

4. В случае отсутствия необходимого объема потенциально плодородных пород предлагается использовать разработанную технологию повышения биопродуктивности почв. Данная технология применяется на этапе горно-технической рекультивации склада. Она позволяет укрепить поверхность склада, снизить вредное влияние его на окружающую среду и защитить складируемые потенциально полезные горные породы от внешнего воздействия (например, эрозии).

5. Предложенная технология формирования долговременных складов наиболее эффективна при разработке глубоких залежей со значительными объемами извлекаемых разнотипных пород. Она позволяет интенсифицировать процесс формирования техногенного месторождения и последующей рекультивации его поверхности в случае, если извлекаемые из карьерного поля объемы разнотипных пород будут соответствовать объемам, определенным по предлагаемой методике.

6. На примере Костомукшкского железорудного месторождения рассчитана экономическая эффективность складирования временно неиспользуемых пород по предложенной схеме. В случае размещения некондиционных руд в трехъярусных складах круглой формы, формирование и разработка которых займет не менее 26 лет, ежегодный доход от реализации складируемой продукции составит 116,7 млн. руб.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Русак O.E., Маринин М.А., Комаров Ю.А. Определение параметров складов горных пород с учетом выбранного направления горнотехнического этапа рекультивации // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. - № 1 - с.401-405.

2. Холодняков Г.А., Русак O.E. Обеспечение безопасного хранения отходов горного производства при ведении открытых горных работ // Безопасность жизнедеятельности. - 2013. - № 4 -с. 28-30.

3. Русак O.E. Экологизация процесса складирования отходов горного производства при ведении открытых горных работ // Безопасность жизнедеятельности. - 2012. - № 8 - с. 23-25.

4. Шувалов Ю.В., Бульбашев А.И., Смирнов Ю.Д., Русак O.E. Патент на изобретение №2338355 от 04.06.2007 г. Способ рекультивации отвалов цементного производства.

5. Русак O.E. Перспективы применения потенциально плодородных пород при складировании отходов карьерного производства // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения: Труды 9-ой международной научно-практической конференции 6-8 апреля 2011 г. / филиал СПГГИ (ТУ) "Воркутинский горный институт". - Воркута, 2011. - с. 121-123.

6. Холодняков Г.А., Русак O.E. Перспективы применения потенциально плодородных пород при селективном формировании одноярусных складов отходов карьерного производства // Сборник докладов международной научно-технической конференции «Проблемы экологии в минерально-сырьевой отрасли» 28 августа -1 сентября 2011 г. / Варна, Болгария, 2011. - с. 324-328.

7. Холодняков Г.А., Русак O.E. Технология формирования двухъярусных складов отходов карьерного производства с учетом необходимости их рекультивации // Сборник докладов международной научно-технической конференции «Проблемы экологии в минерально-сырьевой отрасли» 28 августа - 1 сентября 2011 г. / Варна, Болгария, 2011. - с. 329-334.

8. Русак O.E. Экологизация процесса складирования отходов карьерного производства // Сборник трудов международных научных чтений «Белые ночи - 2012» «Проблемы безопасности XXI века и пути их решения» 5-8 июня 2012 г. / Киев, Украина, 2012. -с. 456-461.

9. Русак O.E. Экологизация процесса складирования отходов при ведении открытых горных работ // Сборник докладов национального экологического форума «Экология промышленного региона», 23 -24 мая 2012 г./Донецк, Украина, 2012. - Том №1 - с. 15-16.

РИЦ Горного университета. 27.05.2013. 3.302. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Русак, Олег Евгеньевич, Санкт-Петербург

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреяедение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

На правах рукописи

0420^360203

РУСАК ОЛЕГ ЕВГЕНЬЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ ДОЛГОВРЕМЕННЫХ СКЛАДОВ ГОРНЫХ ПОРОД -ОТХОДОВ КАРЬЕРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая и строительная)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор технических наук, профессор Г.А. Холодняков

Санкт-Петербург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.....9

§1.1 Анализ опыта отвалообразования и складирования горных пород...........9

§ 1.2 Анализ предпосылок для замены процесса отвалообразования

процессом складирования горных пород................................................................16

§ 1.3 Цель, задачи и методы исследования..........................................................26

§ 1.4 Выводы по главе 1.........................................................................................31

ГЛАВА 2 ОСОБЕННОСТИ СКЛАДИРОВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД................33

§ 2.1 Общие сведения о породах, размещаемых в отвалах при ведении

открытых горных работ, и возможностях их использования...............................33

§ 2.2 Особенности существующих технологий размещения пород в отвалах. 34 § 2.3 Создание плодородного слоя почвы на рекультивируемой поверхности

склада..........................................................................................................................38

§ 2.4 Выводы по главе 2.........................................................................................46

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ СКЛАДОВ ГОРНЫХ ПОРОД С УЧЕТОМ НЕОБХОДИМОСТИ ИХ РЕКУЛЬТИВАЦИИ 48 § 3.1 Селективное формирования одноярусного склада с выполаживанием

откосов........................................................................................................................48

§ 3.2 Обоснование параметров двухъярусного склада при селективном его

формировании............................................................................................................55

§ 3.3 Расчет схем селективного формирования трехъярусного склада с

выполаживанием его откоса.....................................................................................63

§ 3.4 Установление параметров трехъярусных складов при селективном их

формировании............................................................................................................81

§ 3.5 Выводы по главе 3.........................................................................................97

ГЛАВА 4 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

СКЛАДИРОВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД.................................................................98

§ 4.1 Оценка эффективности складирования горных пород..............................98

§ 4.2 Планирование объемов работ и затрат при рекультивации нарушенных

земель........................................................................................................................100

§ 4.3 Оценка целесообразности складирования забалансовых руд на

Костомукшском месторождении...........................................................................104

§ 4.4 Выводы по главе 4.......................................................................................ИЗ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................115

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................117

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время горные породы, которые могли бы быть использованы в будущем, размещаются в отвалах. Хотя зачастую отвалы именуются техногенными месторождениями, из них практически невозможно извлечь полезный компонент, так как нет технологий для определения его содержания и размещения в теле насыпи, сформированной бессистемным образом. Целенаправленное размещение горных пород в насыпи с ведением соответствующей документации позволяет создавать залежи с известными параметрами полезного компонента. Такие работы, отличающиеся от отвалообразования системным подходом и получаемой в итоге насыпью с известными параметрами, называются складированием. Формирование склада с ведением специального паспорта склада позволяет создавать перспективные для разработки в будущем техногенные месторождения с известными и задокументированными параметрами.

Значительные объемы вывозимых в отвалы горных пород целесообразно селективно складировать для сохранения в целях разработки в будущем. В специальных складах можно было бы сохранять забалансовые руды, вскрышные горные породы, пригодные, например, для производства строительных материалов, попутные полезные ископаемые. В законе РФ «О недрах» от 21.02.1992 №2395-1 говорится о том, что «пользователи недр, осуществляющие переработку получаемого ими из недр минерального сырья, обязаны обеспечить складирование, учет и сохранение временно не используемых продуктов и отходов производства, содержащих полезные компоненты». Однако, применяемые на практике методы валового отвалообразования, несмотря на свою дешевизну и простоту организации работ, не позволяют в полной мере обеспечить выполнение условий, поставленных законодательством Российской Федерации.

В случае формирования склада с потенциально полезными горными породами необходимо оградить как сами складируемые породы от внешнего воздействия, так и окружающую среду от возможного негативного влияния склада. В этих целях можно использовать малопригодные в производстве, но, зачастую, в больших количествах извлекаемые потенциально плодородные породы. Формируя из них периферийную часть склада, можно облегчить процесс горно-планировочных работ. Такие породы, как правило, извлекаются в начальный период разработки карьера. И их размещение по конечному контуру склада позволяет начинать процесс формирования техногенного месторождения еще до того, как начнется складирование собственно консервируемых горных пород.

Вопросам отвалообразования и складирования, рационального использования минеральных ресурсов посвящены исследования следующих ученых: А.И. Арсентьева, Е.Б. Гридиной, Н.В. Мельникова, И.И. Русского, П.И. Томакова, К.Н. Трубецкого, Г.А. Холоднякова и др. Несмотря на то, что утилизация пород уже долгое время является важным вопросом горной науки, проблема технологий формирования техногенных месторождений путем складирования неиспользуемых пород до сих пор является актуальной.

Основным направлением диссертационной работы является научное обоснование технологии формирования долговременных складов горных пород, позволяющей в процессе утилизации неиспользуемых пород создавать перспективные для разработки в будущем техногенные месторождения.

Работа выполнена в рамках государственного контракта № 02.740.11.0695 «Создание геомеханически и экологически безопасных малоотходных способов разработки рудных месторождений открытым способом в сложных гидрогеологических условиях», в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы, мероприятие 1.1 - V очередь «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных

центров в области экологически безопасных разработок месторождений и добычи полезных ископаемых».

Цель работы. Разработка и обоснование параметров технологии формирования долговременных складов горных пород - отходов карьерного производства.

Идея работы. Временно неиспользуемые породы, пригодные для разработки в будущем, необходимо селективно складировать в целях избежания потерь полезного ископаемого, неизбежных при валовом методе отвалообразования.

Основные задачи исследований:

1. Анализ существующих и применяемых на практике технологий отвалообразования и складирования горных пород.

2. Разработка технологии формирования склада и обоснование его параметров в зависимости от высоты склада, объемов складируемых пород и их свойств.

3. Установление зависимости объемов потенциально плодородных пород от складируемых потенциально полезных пород при различных формах склада и различном числе ярусов.

4. Экономическое обоснование целесообразности селективного формирования складов горных пород.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использован комплексный подход, включающий: анализ отечественной и зарубежной литературы; проведение в лабораторных условиях исследований биопродуктивности потенциально плодородных пород; математическое моделирование и обработку результатов исследований на ЭВМ.

Научная новизна:

1. Установлены зависимости вместимости складов от объема потенциально плодородных пород, высоты склада и угла его откоса.

2. Разработана методика определения необходимых объемов разнотипных пород, позволяющая оценить техническую возможность и экономическую

целесообразность формирования склада с учетом объемов пород, извлекаемых при разработке месторождения.

Основные защищаемые положения:

1. Для повышения эффективности горных работ временно неиспользуемые породы, применение которых возможно в будущем, целесообразно размещать не в отвалах, а в складах, откосная часть которых формируется из потенциально плодородных пород.

2. При формировании долговременного склада следует учитывать мощность разнотипных горных пород, укладываемых в нем, что позволяет спрогнозировать объемы горно-планировочных работ и улучшить организацию восстановления нарушенных земель.

3. Целесообразность складирования временно неиспользуемых пород определяется возможной формой складов, их взаимным расположением относительно друг друга и наличием необходимых объемов разнотипных горных пород.

Практическая значимость работы:

■ Разработана методика расчета параметров склада при его формировании с целью создания техногенного месторождения при различных его формах.

■ Разработан способ повышения биопродуктивности потенциально плодородных пород, использование которого целесообразно в случае, если выход соответствующих пород из карьера не соответствует объемам, необходимым для формирования склада.

Достоверность и обоснованность научных положений выводов и рекомендаций обеспечивается: значительным объемом проанализированной и обобщенной исходной информации для аналитических исследований, значительным объемом экспериментальных исследований в лабораторных условиях, применением современных методов анализа и обработки экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы

освещались на: международной научно-технической конференции «Проблемы экологии в минерально-сырьевой отрасли» (Болгария, г. Варна, 2011 г.); международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (г. Воркута, 2011 г.); национальном экологическом форуме «Экология промышленного региона» (Украина, г. Донецк, 2012 г.); международных научных чтениях «Белые ночи - 2012» «Проблемы безопасности XXI века и пути их решения» (Украина, г. Киев, 2012 г.).

Публикации. Основные результаты исследований представлены в 9 опубликованных работах, из них 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, и в 1 патенте на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 126 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 99 наименований, включает 13 рисунков и 19 таблиц.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

§1.1 Анализ опыта отвалообразования и складирования горных пород

Особенностью открытых горных работ, отличающей их от разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом, является тот факт, что в процессе разработки месторождения, из карьерного поля, как правило, удаляются большие объемы пород, не являющихся полезным ископаемым.

Существует четыре основных технологических процесса в карьере: подготовка горных пород к выемке, выемочно-погрузочные работы, транспортирование горной массы и ее складирование [86]. Но различные авторы подразумевают под складированием различные процессы.

О.Ю. Крячко дал следующее определение отвалу: «Под отвалом пустых пород на открытых горных работах понимается инженерное сооружение, возводящееся на специально отведенной для этой цели территории и предназначенное для складирования вскрышных пород» [44]. Многие авторы, говоря о «складировании» горных пород, подразумевают технологический процесс отвалообразования [14; 21; 56; 76; 81].

Шпанский О.В. называет отвалообразование «последним в ряду основных технологических процессов» [96]. При этом он говорит о том, что отвал используется при «складировании пустых пород, извлекаемых из карьера (иногда это полезное ископаемое, не находящее применения либо по причине избыточности, либо временной некондиционности)». Таким образом, отвалам приписывается не только функция свалки вскрышных пород, но хранилища полезных ископаемых.

В 70-е годы XX века заключительным технологическим процессом в карьере считалось именно отвалообразование [93]. Русский И.И. охарактеризовал этот процесс следующим образом: «Отвальные работы -

одно из звеньев технологического процесса открытой разработки месторождений полезных ископаемых - характеризуются значительной трудоемкостью и относительно высокой стоимостью работ. Правильный выбор способа отвалообразования имеет, как и другие технологические процессы, существенное значение для организации высокопроизводительной и эффективной работы предприятия по добыче полезных ископаемых открытым способом» [71]. Важность выбора параметров отвалообразования подчеркивается и другими авторами [6; 17; 19; 30; 53; 65; 83].

Из классификации отвалов по Н.В. Мельникову (таблица 1.1) видно, что при ведении работ по отвалообразованию учитывается множество факторов: местоположение, число ярусов, рельеф местности и т.п. [47]

Таблица 1.1 - Классификация отвалов по Н.В. Мельникову

№ п/п Классификационный признак Тип отвала

1 По расположению относительно месторождения Внешний (за контуром карьере) Внутренний (в контуре карьера)

2 По числу рабочих горизонтов Одноярусный Многоярусный

3 По способу механизации отвальных работ Плужный Экскаваторный Бульдозерный Конвейерный

4 По числу обслуживаемых горизонтов Общий Групповой Отдельный

5 По рельефу местности, используемой под отвал Равнинный Нагорный

Следует отметить, что снижение капитальных затрат связывается с совершенствованием схем отвалообразования, но при этом о сохранении временно неиспользуемых горных пород речи не идет. Так, одна из схем

формирования отвала подразумевает строгий порядок укладки пород в отвал [43; 60; 71]. Но речь идет не об учете качественных или количественных характеристик пород, размещаемых в отвале, а о целесообразной схеме формирования насыпи с точки зрения выбранной технологии отвалообразования.

Классификация отвалов не учитывает качественные или количественные характеристики вскрышных пород. Дальнейшее использование некондиционных руд или «пустых» пород не предполагается. Таким образом, на большинстве предприятий основным вопросом, решаемым при отвалообразовании, является вопрос снижения стоимости ведения отвальных работ.

Изрезанный рельеф местности считается весьма удачным условием для формирования отвала, так как «на косогоре строительство первоначальной насыпи отвала требует меньших затрат средств и времени. Поэтому иногда, чтобы использовать склоны гор, овраги или другие естественные впадины, приходится удалять отвальное хозяйство на значительные расстояния от карьера» [71]. В качестве рекомендации для выбора местоположения отвала, часто рассматриваются следующие условия, оптимально подходящие для отвалообразования: «малопригодные для сельского хозяйства земли, овраги, балки, а в некоторых случаях заболоченные места и озера» [71].

При выборе местоположения отвалов учитывается тип карьера, система разработки, структура комплексной механизации и объемов вскрышных работ, рельеф местности, инженерно-геологические, климатические и погодные условия [52]. Стремление к бережному отношению к земельным ресурсам привело к тому, что под отвалы могут использоваться овраги, ложбины, заболоченные равнинные участки и т.п. Например, пустые породы Учалинского медно-колчеданного месторождения размещались непосредственно в озере Учалы [72].

Основным недостатком процесса отвалообразования в сравнении со складированием является тот факт, что технология формирования отвала не

учитывает тот факт, что в насыпи могут быть размещены различные породы с потенциально различной ценностью. При таком подходе, временно неиспользуемые потенциально полезные породы в теле отвала могут перемешиваться с отходами, использование которых нецелесообразно. В таком случае снижается вероятность отработки данной техногенной залежи, так как засорение потенциально полезных пород неиспользуемыми отходами может привести к усложнению процесса извлечения полезного компонента из получившейся горной массы. Проблема комплексного освоения мес