Обоснование технологии открытой разработки железосодержащих техногенных месторождений на примере хвостохранилищ ГОКов КМА

Аргимбаев, Каербек Рафкатович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование технологии открытой разработки железосодержащих техногенных месторождений на примере хвостохранилищ ГОКов КМА
ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование технологии открытой разработки железосодержащих техногенных месторождений на примере хвостохранилищ ГОКов КМА"

На правах рукописи

АРГИМБАЕВ Каербек Рафкатович

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НА ПРИМЕРЕ ХВОСТОХРАНИЛИЩ ГОКов КМА

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная,

открытая и строительная)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005059709 1 б ИАП 2013

Санкт-Петербург - 2013

005059709

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном минерально-сырьевом университете «Горный».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, ОАО «Полиметалл УК», отдел анализа и методологического обеспечения геологической дирекции,начальник

кандидат технических наук, ОАО «ГИПРОШАХТ», главный инженер проектов

Ведущая организация - ЗАО «ПитерГОРпроект».

Защита состоится 23 мая 2013 г. в 14 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.1166.

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

Автореферат разослан 22 апреля 2013 г.

Xолодняков Генрих Александрович

Официальные оппоненты:

Капутин Юрий Евгеньевич

Аршинов Сергей Спиридонович

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современных условиях в связи с ростом потребления продукции минерально-сырьевого комплекса происходит истощение крупных запасов полезного ископаемого, ухудшается состояние окружающей среды и возникает настоятельная необходимость вовлечения в разработку техногенных месторождений.

Техногенные месторождения становятся все более важными источниками различных видов минерального сырья. Накопление отходов горно-металлургического производства в техногенных объектах осуществляется непрерывно. Так, только в хвостохранилищах горнодобывающих предприятий ГОКов КМА накопилось свыше 600 млн.т железосодержащих отходов, содержащих значительное количество железа и кремния. Суммарное содержание компонентов, накапливающихся за 20 - 30 лет на техногенных объектах сопоставимо, а иногда превышает их количество в ежегодно добываемых рудах. Это является еще и важным резервом для развития ресурсосбережения, охраны недр, рационального землепользования, экономической целесообразности и защиты окружающей среды.

В отношении отвалов твердых пород вскрыши ситуация в целом складывается обнадеживающе, имеются технологии и некоторый опыт их переработки. По-иному обстоит дело с разработкой обводненных хвостохранилшц обогатительных фабрик, характеризующихся куда более сложными условиями залегания и высокой степенью опасности для окружающей среды. При наличии схем дообогащения этих техногенных образований до сих пор не обоснованы эффективные способы их разработки.

Основным направлением диссертационной работы является научное обоснование двух безопасных и высокопроизводительных технологий разработки хвостохранилшц, позволяющих существенно повысить интенсивность ведения горных работ и разделить железосодержащие хвосты на кондиционные и некондиционные.

Вопросам освоения техногенных месторождений и рационального использования ресурсов посвящены исследования следующих ученых: М.И. Агошкова, С.С. Аршинова, Ж.В. Бунина, С.Е. Гавришева, С.А. Ильина, Ю.Е. Калугина, B.C. Коваленко,

И.П. Малярова, А.М.Михайлова, Н.В.Мельникова, Б.М.Никитина, К.Н. Трубецкого, В.Н. Уманца, С.И. Фомина, Г.А. Холоднякова, и др.

Работа выполнена в рамках двух Государственных контрактов N0 02.740.11.0695 «Создание геомеханически и экологически безопасных малоотходных способов разработки месторождений открытым способом в сложных гидрогеологических условиях» и № 14.132.21.1819 «Обоснование и разработка технологии формирования железосодержащих хвостохранилищ в отвалах вскрышных пород с учетом дальнейшего вовлечения в разработку».

Цель работы. Разработка и обоснование параметров технологий открытой разработки железосодержащих техногенных месторождений на примере хвостохранилищ ГОКов КМА.

Идея работы. Обоснование технологии открытой разработки железосодержащих техногенных месторождений на примере хвостохранилищ ГОКов КМА должно осуществляться на основе установленных зависимостей параметров технологии от влажности, физико-механических свойств лежалых хвостов и их гранулометрического состава.

Основные задачи исследований:

1. Анализ техногенных образований, динамики объемов лежалых хвостов обогащения и методической базы по

вовлечению их в разработку.

2. Разработка методики исследования устойчивости откосов уступов и рабочих площадок при ведении добычных

работ на хвостохранилищах.

3. Разработка и обоснование технологических схем эксплуатации железосодержащих хвостов на площади

хвостохранил ищ.

4. Выбор выемочно-погрузочного оборудования для

разработки хвостохранилищ.

5. Установление зависимостей влияния вещественного состава железосодержащих хвостохранилищ на показатели их обогатимости и качество получаемого при этом концентрата.

6. Экономическое обоснование целесообразности вовлечения в разработку железосодержащих хвостов обогащения.

Методы исследовании. Для решения поставленных задач использован комплексный подход, включающий: анализ отечественной и зарубежной литературы; проведение в лабораторных условиях исследований свойств лежалых хвостов; математическое, трехмерное параметрическое моделирование и обработку результатов исследований на ЭВМ с использованием специализированных программных комплексов.

Научная новизна:

1. Установлены зависимости коэффициента запаса устойчивости поверхности хвостохранилища и безопасной высоты добычного забоя экскаватора от влажности железосодержащих хвостов.

2. Выявлены зависимости величины расстояния возможного движения железосодержащих хвостов от удельного веса и угла наклона системы осадительных траншей.

Основные защищаемые положения:

1. Для повышения устойчивости выемочно-погрузочного оборудования на поверхности полусухого хвостохранилища Лебединского ГОКа следует уменьшать влажность железосодержащих хвостов с 35 до 21% за счет разбивки их на выемочные заходки путем создания проветриваемых траншей, что обеспечивает безопасную высоту добычного забоя до 7 м.

2. С целью снижения разубоживания при разработке действующих хвостохранилищ Лебединского ГОКа целесообразно применять рекомендуемую технологию с использованием выемочно-погрузочного оборудования и наклонной системы осадительных траншей длиной не более 12 м и углом наклона до 11 град, которая обеспечивает выемку кондиционных железосодержащих хвостов и отличается меньшей энергозатратностью по добыче и количеством применяемого оборудования.

3. Железосодержащие хвостохранилища Лебединского ГОКа являются техногенными месторождениями с возможностью получения железорудного концентрата до 66%, целесообразность разработки которых определяется технологиями выемки хвостов, отличающимися меньшими затратами на их добычу.

Практическая значимость работы:

■ Разработана технологическая схема отработки полусухих железосодержащих техногенных месторождений, обеспечивающая уменьшение влажности хвостов и повышение устойчивости выемочно-погрузочного оборудования.

- Предложена методика расчета безопасной высоты добычного забоя, представленного сложенными сыпучими

материалами в обводненных условиях.

■ Разработан способ отработки действующих железосодержащих хвостохранилищ, позволяющий снизить разубоживание хвостов при их добыче.

■ Предложена принципиальная схема дообогащения железосодержащих хвостов с получением железорудного

концентрата до 66%.

Достоверность и обоснованность научных положении выводов и рекомендаций обеспечивается: значительным объемом проанализированной и обобщенной исходной информации для аналитических исследований, значительным объемом экспериментальных исследований в натурных и лабораторных условиях, применением современных методов анализа и обработки экспериментальных данных, хорошей сходимостью расчетных данных с результатами лабораторных и натурных экспериментов. ^

Апробация работы. Основные положения диссертационнои работы освещались на: международном симпозиуме горняков (Фрайберг, Германия, 2012 г.), международной научно-пракггическои конференции (София, Болгария, Горно-геологический университет «Св. Ивана Рилски», 2012 г.); международной конференции молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 2012 г.); международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута, 2011 г.); международной научно-практической конференции «Открытые горные работы в 21 веке» (Красноярск, 2011г.); международной научно-практической конференции молодых учёных и студентов «Опыт прошлого - взгляд в будущее» (Тула, 2011 г.); XII международной научно-практической конференции

«Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и

применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2011 г.); студенческой научной конференции (Польша, Краковская горно-металлургическая Академия (КГМА), 2010,2011 г.).

Личный вклад автора. Анализ и обобщение существующего опыта разработки техногенных месторождений, создание и научное обоснование новой технологии, формулировка задач исследований, разработка методики и проведение лабораторных исследований, формулировка основных научных положений и выводов, разработка практических рекомендаций.

Публикации. Основные результаты исследований представлены в 21 опубликованной работе, из них 6 - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 135 страниц состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 100 наименований, включает 60 рисунков и 29 таблиц.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю профессору Г.А. Холоднякову, развитие идей которого, постоянное внимание и помощь способствовали успешному выполнению работы; сотрудникам кафедр Разработки месторождений полезных ископаемых и Обогащения полезных ископаемых за ценные советы и помощь в научной работе; зав. лабораторией физико-механических свойств и разрушения горных пород М.Д. Ильинову за содействие в проведении экспериментальных исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава диссертации посвящена анализу источников образования промышленных отходов, состоянию исследований по вовлечению в разработку железосодержащих хвостохранилшц, закономерностям формирования и строению хвостохранилшц.

Во второй главе приведены основные существующие технологии разработки техногенных месторождений, представлены результаты исследований влияния железосодержащих хвостохранилшц Лебединского ГОКа на изменение физико-химических условий горных пород на прилегающей территории и произведен выбор выемочно-погрузочного оборудования для ведения горных работ в сложных гидрогеологических условиях.

В третьей главе приведены результаты лабораторных исследований физико-механических свойств хвостов Лебединского ГОКа, исследований устойчивости откосов рабочих уступов экскаватора и рабочих площадок, предлагаемые технологии разработки железосодержащих техногенных месторождении, обеспечивающие высокую безопасность, производительность ведения горных работ и эффективность разделения железосодержащих хвостов на кондиции.

В четвертой главе приведены результаты лабораторных исследований по изучению особенностей вещественного состава лежалых хвостов Лебединского ГОКа, дообогащения и последующего окускования железорудного концентрата.

В пятой главе изложены результаты технико-экономической оценки эффективности предложенных технологий разработки и обогащения на Лебединском ГОКе, обеспечивающие производство железорудного концентрата по цене менее 700 руб/т.

Основные результаты исследований отражены при доказательстве следующих защищаемых положений:

Полусухие хвостохранилища можно характеризовать как трудно разрабатываемые потому, что им присуще слабое основание и неравномерность распределения содержания полезного компонента. При разработке таких хвостохранилищ наблюдались явления внезапных обрушений уступов даже при высоте менее 10 м. При этом экскаватор не успевал отойти на безопасное расстояние, и далее происходил сход экскаватора с уступа или заваливание хвостами рабочего оборудования и гусеничной тележки. Это приводило к длительным простоям из-за сложности работ по ликвидации последствий заваливания.

В этой связи в настоящем положении решается задача по исследованию устойчивости выемочно-погрузочного оборудования

на основе оценки поверхности хвостохранилища, а также откоса рабочего уступа при естественной влажности железосодержащего хвостохранилища без учета влияния ливневых и паводковых вод.

Таким образом, был изучен состав и определены физико-механические свойства хвостов с целью дальнейшего решения задачи устойчивости и выявления высоты добычного забоя для безопасного ведения горных работ. Установлена зависимость, представленная на рисунке 1.

0,012

(Я

С 0,01

Ц. 0,008

1 0,006

§ 0,004

Я 0,002

14 17 20 23 26 29 32 35 Влажность хвостов, %

Рисунок 1 - Графики зависимости сцепления от влажности лежалых железосодержащих хвостов Лебединского ГОКа

Из рисунка 1 видно, что повышение влажности в железосодержащих хвостах ведет к уменьшению сцепления, что приведет к ослаблению поверхности хвостохранилища.

Для оценки возможности размещения механизмов на поверхности полусухого железосодержащего хвостохранилища, рассмотрена задача о критических нагрузках, создаваемых ходовым устройством горной машины, с применением решения Прандтля. При этом коэффициент запаса устойчивости поверхности хвостохранилища при размещении на нем механизмов определяется по следующей зависимости

Ку ша^/а^ * 1,2 (1)

где акр - несущая способность поверхности хвостохранилища, кПа\ °"так ~ максимальная удельная нагрузка от ходовой части механизмов

на рабочую поверхность хвостохранилища при выполнении технологических операций, кПа.

График зависимости коэффициента запаса устойчивости

поверхности хвостохранилища от влажности хвостов различной крупности приведен на рисунке 2.

пылеватые

хвосты;

супеси;

суглинки; глины.

15 20 25

Влажность, %

Рисунок 2 - Зависимость коэффициента запаса устойчивости поверхности хвостохранилища от влажности хвостов различной крупности: пылеватые хвосты, супеси, суглинки, глины.

С помощью программы АКЛ88 «Расчет безопасной высоты добычного забоя при разработке хвостохранилищ» производился расчет коэффициента запаса устойчивости откоса рабочего уступа с

учетом

сложенных хвостов кЗУРУ, определялись ширина бермы

безопасности и высота добычного забоя, учитывающие такие основные параметры, как: глубина обводненности, коэффициент фильтрации, влажность, а так же физико-механические свойства железосодержащих хвостов (рисунок 3).

Й яГ о §•

а §

& I

а п

с «

8 £

и се

иа со

14 17 20 23 26 29 32 Влажность хвостов, %

Рисунок 3 - Зависимость безопасной высоты забоя экскаватора от влажности средневзвешенных лежалых хвостов при Кзу ру = 1,3

Исходя из проведенного анализа освоения техногенных образований, был предложен способ разработки полусухих

хвостохранилищ со слабым основанием с помощью выемочно-погрузочного оборудования «обратная лопата», представленный на рисунке 4 (а,б,в).

Рисунок 4 - Технология разработки полусухих хвостохранилищ со слабым основанием а - общий план; б - параметры технологии в добычном забое; в - поперечный разрез хвостохранилища; 1 - автосамосвал; 2 - выемочно-погрузочное оборудование «обратная лопата»; 3 - готовые к выемке выемочные заходки, сухие железосодержащие хвосты; 4 - проветриваемая траншея; 5 - ограждающая дамба;

Я - безопасная высота добычного уступа, м; н2~ высота верхнего уступа, м; ц- высота развала сыпучего материала, м; #41 - глубина обводненности, м; А -угол откоса верхнего уступа, град.; Аг - угол откоса развала сыпучего материала, град.; в - ширина бермы безопасности, м; С - вес выемочно-погрузочного оборудования, Н; V — выветривание и вымораживание.

Сущность технологии заключается в понижении влажности железосодержащих хвостов с 35 до 21%, позволяющей повысить устойчивость основания хвостохранилища и откоса рабочего уступа.

Подготовку и оконтуривание участка полусухого хвостохранилища со слабым основанием и разбивку его на выемочные заходки 3 производят в замерзшем состоянии путем создания проветриваемых траншей 4, созданных с помощью экскавации на ширину ковша выемочно-погрузочного оборудования «обратная лопата» 2, с учетом направления розы ветров, а выемку сухих хвостов производят на всю ширину выемочной заходки 3, равной минимальной ширине проезжей части автотранспорта.

Для оценки коэффициента запаса устойчивости откоса рабочего уступа использовалось следующее неравенство

1Сзу р у ^ Ку =

где кЗУ РУ - коэффициент запаса устойчивости откоса рабочего

уступа с учетом сложенных хвостов; ку - коэффициент запаса

устойчивости поверхности хвостохранилища с учетом нагрузки, создаваемой механизмами.

Анализ результатов, представленных на рисунках 2 и 3, показывает, что при максимальной достигнутой влажности хвостов, соответствующей 21%, допускается применение откоса рабочего уступа с оптимальной высотой 7 м, при обеспечении устойчивости поверхности полусухого хвостохранилища, представленного хвостами с крупностью глины. Ведение горных работ в данных условиях может осуществляться с применением выемочно-погрузочного оборудования «обратная лопата» FUCHS с уширенными гусеницами и длиной стрелы 15 м, обладающего наиболее высокими технико-экономическим показателями.

С целью обеспечения безопасности ведения горных работ в пределах выемочной заходки необходимо осуществлять ежедневный контроль содержания влажности в железосодержащих хвостах и планирование автодороги согласно строительным нормам и

правилам СНиП 2.05.07-91.

Определение параметров данного способа разработки хвостохранилищ рационально выполнять после получения уточненной информации о физико-механических свойствах, влажности, коэффициенте фильтрации отрабатываемых хвостов и типе применяемого горнотранспортного оборудования.

энергозатратностью по добыче и количеством применяемого оборудования.

Для решения данной задачи были изучены физико-механические свойства железосодержащих хвостов (таблица 1) и предложена технология разработки действующих хвостохранилищ Лебединского ГОКа, существенно сокращающая затраты на добычу и разубоживание хвостов (рисунок 5).

Таблица 1 - Характеристика физико-механических свойств хвостов Лебединского ГОКа______

Размер фракций, мм Удельный вес, Н/м3 Объемный вес, Н/м3 Пористость, % Насыпная плотность, т/м3

-5+2,5 32,2 18,3 43,2 1,82

-2,5+1,25 32,1 16,5 48,6 1,70

-1,25+0,63 29,4 14,6 50,3 1,48

-0,63+0,315 28,3 13,4 52,6 1,35

-0,315+0,14 29,8 13,9 53,4 1,40

-0,14 32,8 14,7 55,2 1,49

Рисунок 5 - Технология разработки действующего хвостохранилища а - вид сбоку; б - вид сверху; в - 3 Д модель;! - действующее хвостохранилище овражного типа; 2 - система осадительных траншей; 3 - тяжелая «богатая» фракция хвостов; 4 - хвосты со среднем содержанием полезного компонента; 5 - выемочно-погрузочное оборудование («обратная лопата» Fuchs); 6 - автотранспорт; 7 - некондиционные хвосты с малым содержанием полезного компонента; 8 - оградительная насыпь; 9 - вода; 10 - выпуск пульпы; 11 - железобетонные «лотки».

Сущность технологии заключается в разделении железосодержащих хвостов 3,4,7 по содержанию полезного компонента, в местах выпуска пульпы 10 по наклонной поверхности с оградительной насыпью 8, на которой создают систему осадительных траншей 2 с уложенными в них железобетонными лотками, ширина основания которых равна ширине ковша выем очно-погрузочного оборудования 5. Затем после заполнения осадительных траншей кондиционными хвостами производится их механическая очистка и отгрузка в автотранспорт 6. Данная технология позволяет снизить энергозатратность и количество применяемого оборудования на их добычу.

Исследования по изучению поведения железосодержащих хвостов в наклонной системе осадительных траншей проводились методами мер сходства между железосодержащими хвостами и кластерного анализа. Одним из важнейших результатов исследований являлось инженерно-геологическое районирование в системе осадительных траншей (железобетонных лотков) (рисунок 5 а, б).

Важно отметить, что все алгоритмы кластеризации подчиняются гипотезе компактности, т.е. «в используемом базисном пространстве объекты, принадлежащие одному и тому же классу, максимально близки между собой, а объекты, принадлежащие разным классам хорошо разделимы друг от друга». Фракционирование, как и разделение на зоны по минеральному составу происходит в результате того, что частицы горной массы имеют различную гидравлическую крупность. При выпуске пульпы в наклонную систему осадительных траншей, железосодержащие хвосты, наряду с сохранением движения по оси потока, начинают осаждаться под воздействием силы гравитации (рисунок 6).

1 - пульповод; 2 - траектория движения железосодержащих хвостов; ¿./-расстояние возможного движения железосодержащих хвостов.

В простейшем случае считаем, что на железосодержащие хвосты будут действовать три силы: силы тяжести mg, выталкивания ^ и трения ¥т. В векторном виде получим

уравнение движения тх, которое выражается формулой

тх = т% + ¥т+¥а (3)

С учетом того, что сила трения пропорциональна скорости и силе выталкивания V железосодержащих хвостов, получим уравнение

" - — -¡г (4)

Решая дифференциальное уравнение второго порядка (4), было получено общее решение, представляющее собой степенную зависимость, учитывающую массу, время движения хвостов, угол наклона системы осадительных траншей и характеризующую перемещение и изменчивость железосодержащих хвостов по фронту намыва. При этом большое влияние на величину расстояния преодоления железосодержащими хвостами имеет форма и степень окатанности хвостов, но общая экспоненциальная зависимость сохраняется.

На основе полученных математических расчетов и опытных данных, были построены зависимости величины расстояния возможного движения железосодержащих хвостов от их удельного веса и угла наклона системы осадительных траншей от расстояния возможного движения железосодержащих хвостов (рисунок 7).

а)

« р „ а ,

5 о Я £ .

£ х х & о

о * и 8 о

8 о * § е

Й з я 8 о

ез " Й о т

<2 § 4 о X

35 30 25 20 15 10 5 0

эзаа40

§ =5 & зо § й . 3 5«

* Й а к 31 3

с я а >. 8 е-

31,6 32 32,4 32,8 Удельный вес, Н/м1

О 10 20 30 Расстояние возможного движения железосодержащих хвостов, м

Рисунок 7 - Зависимости оптимальных параметров расстояния возможного движения железосодержащих хвостов от удельного веса (а) и угла наклона системы осадительных траншей от расстояния возможного движения железосодержащих хвостов (б).

Таким образом, исходя из физико-механических свойств железосодержащих хвостов и установленных зависимостей (рисунок 7), рекомендуется применять технологию разработки действующих хвостохранилищ Лебединского ГОКа с использованием выемочно-погрузочной техники и наклонной системы осадительных траншей длиной не более 12 м и углом наклона до 11 град, что обусловливает снижение разубоживания.

Результаты, полученные из проведенных экспериментов, показали хорошую сходимость с результатами математического расчета и подтвердили возможность применения разработки действующих хвостохранилищ Лебединского ГОКа.

В результате проведенного химического анализа отобранных проб лежалых хвостов обогащения в пределах хвостохранилища Лебединского ГОКа были выявлены участки намывных хвостов с аномально высоким содержанием железа общего 14,32-19,10% и железа магнитного 4,37-7,83%, и имеющие прогнозные запасы 49,2 млн.т. Данные участки представляют собой техногенное месторождение железных руд, перспективное для вовлечения в разработку. Детальное изучение проб с помощью растровой микроскопии и влияния вещественного состава на обогатимость позволило разработать принципиальную схему дообогащения. Результаты исследования представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты исследований обогатимости проб

железосодержащих хвостов

Индекс проб Наименование продуктов Выход, % Содержание, % Извлечение, %

Реобщ. Ремаг. Реобщ. Ремаг.

ХВЛ-1 Концентрат 16,2 66,02 60,38 51,89 95,24

Общие отвальные хвосты 83,8 12,02 0,58 48,11 4,76

Исходные хвосты 100 20,61 10,27 100 100

Продолжение таблицы 2

Индекс проб Наименование продуктов Выход, % Содержание, % Извлечение, %

Реобщ. Ремаг. Реобщ. Ремаг.

ХВЛ-2 Концентрат 15,5 65,53 60,51 50,63 86,20

Общие отвальные хвосты 84,5 11,72 1,78 49,37 13,8

Исходные хвосты 100 20,06 10,88 100 100

ХВЛ-3 Концентрат 12,7 62,27 49,17 35,94 85,19

Общие отвальные хвосты 87,3 16,16 1,24 64,06 14,81

Исходные хвосты 100 22,02 7,33 100 100

ХВЛ-4 Концентрат 9,3 61,47 57,54 36,72 89,94

Общие отвальные хвосты 90,7 10,86 0,66 63,28 10,06

Исходные хвосты 100 15,57 5,95 100 100

ХВЛ-5 Концентрат 4,5 53,01 50,05 18,00 73,36

Общие отвальные хвосты 95,5 11,38 0,86 82,00 26,64

Исходные хвосты 100 13,25 3,07 100 100

Анализируя полученные результаты, необходимо отметить, что обогащение железосодержащих хвостов по предложенной технологической схеме позволяет получить концентрат с содержанием железа до 66%, достаточным для его дальнейшей металлургической переработки.

Для экономического обоснования эффективности добычи 1 т железосодержащих хвостов были произведены сравнения предложенных технологий с применяемыми на сегодняшний день в России (таблица 3).

Таблица 3 - Сравнительная экономическая эффективность технологии добычи 1 т хвостов при различных производительностях

Технология разработки хвостохранилищ Сумма затрат, млн.рубл./год На 1 т хвостов, руб.

1 млат /год 1,5 МЛН.Т /год 2 МЛН.Т /год МЛН.Т /год 1 МЛН.Т /год и МЛН.Т /год 2 МЛН.Т /год 2^> МЛН.Т Лод

Ковдорский ГОК 96,71 135,9 166,2 176,53 96,71 90,63 83,12 70,61

Михайловский ГОК 91,2 121,8 155,1 160,58 91,2 81,21 77,56 64,23

Предложенная технология разработки полусухих хвостохранилищ 21,57 28,4 36,81 44,72 21,57 18,95 18,40 17,89

Продолжение таблицы 3

Технология разработки хвостохранилищ Сумма затрат млн.рубл./год На 1 т хвостов, руб.

1 МЛН.Т /год 1,5 МЛИ.Т /год 2 МЛН.Т /год млат /год 1 МЛН.Т /год 1,5 млат /год 2 млат /год 2,5 млат /год

Предложенная технология разработки действующих хвостохранилищ 13,26 18,5 27,35 32,60 13,26 12,34 13,67 13,04

Анализ результатов, приведенных в таблице 3 и экономических расчетов деятельности предприятия по разработке железосодержащих хвостов, показал, что хвостохранилища Лебединского ГОКа являются перспективным техногенным месторождением, комплексное освоение которого по предлагаемым технологиям позволит получать железорудный концентрат содержанием до 66% с получением годового экономического эффекта более 500 млн. руб при производительности по хвостам в 2,5 млн.т/год и сроком окупаемости проекта в 1,1 год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи - обоснование технологий открытой разработки железосодержащих техногенных месторождений, позволяющих повысить устойчивость выемочно-погрузочного оборудования и снизить разубоживание при добыче хвостов.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Повышение влажности в железосодержащих хвостах, ведет к уменьшению углов внутреннего трения и сцепления. При инженерных расчетах по определению оптимальной высоты добычного забоя рекомендуется принимать угол внутреннего трения равным 26°, а сцепление - 0.

2. Предложена технология разработки полусухих хвостохранилищ выемочно-погрузочным оборудованием «обратная

лопата», при этом, высота уступа не должна превышать оптимальную высоту добычного забоя при максимальной влажности хвостов. Устойчивость его обеспечивается ведением горных работ в пределах осушенных выемочных заходок. Данный способ характеризуется безопасностью и эффективностью при отработке полусухих железосодержащих хвостов. При этом, коэффициенты устойчивости поверхности хвостохранилища и рабочего откоса должны удовлетворять неравенству кЗУР у а Ку -1,2.

3. Способ разработки действующих хвостохранилищ с применением выемочно-погрузочного оборудования «обратная лопата» и наклонной системы осадительных траншей позволяет высокоэффективно извлекать и разделять железосодержащие хвосты на кондиционные и некондиционные. Он характеризуется применением гидравлического выемочно-погрузочного оборудования при разработке хвостов с обильной водной массой.

4. Установлено, что хвосты с разным содержанием полезного компонента могут преодолевать разные расстояния, на которые может влиять также угол наклона самой системы осадительных траншей и удельный вес железосодержащих хвостов.

5. Проведенные исследования показали, что в пределах хвостохранилищ Лебединского ГОКа существует участок намывных хвостов с аномально высоким содержанием железа общего 14,32-19,10% и железа магнитного 4,37-7,83%, и имеющий прогнозные запасы 49,2 млн .т. Данный участок представляет собой техногенное месторождение железной руды, перспективное для вовлечения в разработку.

6. Расчеты, выполненные для различных технологий отработки железосодержащих хвостохранилищ, показывают, что сравнительная экономическая эффективность добычи 1 т хвостов при производительности в 2,5 млн. т/год, по предлагаемым технологиям отработки полусухих и действующих хвостохранилищ составляют 17,89 руб./т и 13,04 руб./т., что значительно выше по сравнению с другими технологиями: Ковдорский ГОК - 70,61 руб./т и Михайловский ГОК - 64,23 руб./т. Это объясняется меньшим количеством выполняемых производственных процессов, применяемого оборудования и полнотой их использования во времени.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Аргимбаев K.P., Холодняков, Г.А. Иконников Д.А Исследование устойчивости уступа, сложенного сыпучим материалом, при его отработке гидравлическим экскаватором типа «обратная лопата» // Горный информационно-аналитический бюллетень.-2011. - №9.-С. 114-117.

2. Бурмистров К.В., Колонюк A.A., Аргимбаев K.P. Выбор комплексов оборудования для производства выемочно-погрузочных работ в стесненных условиях нижних горизонтов карьеров // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. - 2010. - №1. - С. 12-15.

3. Холодняков Г.А., Аргимбаев K.P. Влияние хранилища отходов обогатительной фабрики на изменение физико-химических условий горных пород в их основании и на прилегающей территории // Вода: химия и экология. - 2012. - №3. - С. 100-103.

4. Холодняков Г.А., Аргимбаев K.P., Иконников Д.А. Определение физико-механических свойств хвостов железосодержащих хвостохранилищ // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011. - №5. - С. 82-84.

5. Холодняков Г.А., Решетняк С.П., Аргимбаев K.P. Определение высоты добычного забоя при разработке хвостохранилищ гидравлическим экскаватором типа «обратная лопата» // Записки Горного института. - 2012. - Том 195 - С. 138-141.

6. Экгардт В.И., Квитка В.В., Холодняков Г.А., Аргимбаев K.P. Обоснование способа разработки действующих железосодержащих хвостохранилищ овражного типа // Записки Горного института. - 2012. - Том 197. - С. 159-164.

7. Аргимбаев K.P., Холодняков Г.А. Свидетельство на Программное обеспечение №17072. «AKR88-Pac4er безопасной высоты добычного забоя при разработке хвостохранилищ». - 2010.

8. Аргимбаев K.P., Холодняков Г.А., Иконников Д.А. Свидетельство на изобретение №2465462/03. Способ разработки хвостохранилища. - 2012.

9. Аргимбаев K.P., Холодняков Г.А., Иконников Д.А. Свидетельство на изобретение 2466274/03. Способ разработки хвостохранилища. - 2012.

РИЦ Горного университета. 18.04.2013. 3.216 Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Аргимбаев, Каербек Рафкатович, Санкт-Петербург

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

04201358705 АРГИМБАЕВ КАЕРБЕК РАФКАТОВИЧ

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая и строительная)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

доктор технических наук, профессор Г.А. Холодняков

Санкт-Петербург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

ГЛАВА 1. ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИЕ ХВОСТОХРАНИЛИЩА, ИСТОЧНИКИ ИХ ОБРАЗОВАНИЯ И ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ §1.1. Анализ источников образования промышленных отходов, характеристики и возможность вовлечения в разработку железосодержащих

хвостохранилищ............................................................................................................11

§ 1.2. Типы, закономерности формирования и особенности строения

хвостохранилищ............................................................................................................20

§ 1.3. Анализ состояния исследований по вовлечению в разработку

железосодержащих техногенных месторождений....................................................26

§ 1.4. Выводы по главе 1...............................................................................................30

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ И ВЛИЯНИЕ ХВОСТОХРАНИЛИЩ ЛЕБЕДИНСКОГО ГОКа НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ § 2.1. Анализ существующих технологий разработки железосодержащих

хвостохранилищ............................................................................................................32

§ 2.2. Анализ влияния железосодержащих хвостохранилищ на изменение физико-химических условий горных пород в их основании и на

прилегающей территории Лебединского ГОКа.........................................................38

§ 2.3. Выбор выемочно-погрузочного оборудования для разработки

полусухих хвостохранилищ.........................................................................................45

§ 2.4. Выводы по главе 2...............................................................................................52

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОТРАБОТКИ ДЕЙСТВУЮЩИХ И НЕ ДЕЙСТВУЮЩИХ ХВОСТОХРАНИЛИЩ § 3.1. Определение физико-механических свойств железосодержащих

хвостов Лебединского ГОКа........................................................................................54

§ 3.2. Исследование устойчивости откосов рабочих уступов экскаваторов и рабочих площадок хвостохранилищ Лебединского ГОКа.......................................56

§3.3. Создание способа разработки не действующих железосодержащих

хвостохранилищ Лебединского ГОКа........................................................................64

§3.4. Создание способа разработки действующих железосодержащих

хвостохранилищ Лебединского ГОКа........................................................................71

§3.5. Выводы по главе 3...............................................................................................80

ГЛАВА 4. ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ВОВЛЕЧЕНИЯ В ПОВТОРНУЮ ПЕРЕРАБОТКУ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ ХВОСТОВ

§ 4.1. Производство отбора проб лежалых хвостов обогащения.............................82

§ 4.2. Особенности вещественного состава лежалых хвостов обогащения............83

§ 4.3. Результаты лабораторного обогащения лежалых хвостов Лебединского

ГОКа с последующим окускованием железного концентрата.................................93

§ 4.4. Влияние вещественного состава на показатели обогатимости....................100

§ 4.5. Выводы по главе 4.............................................................................................105

ГЛАВА 5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИИ ОТРАБОТКИ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ ХВОСТОХРАНИЛИЩ § 5.1. Общие сведения о технологии разработки техногенного месторождения. 106

§ 5.2. Маркетинговые исследования.........................................................................107

§ 5.3. Технико-экономические показатели отработки железосодержащих хвостохранилищ..........................................................................................................109

5.3.1. Формирование наклонных систем осадительных траншей........................109

5.3.2. Расчет эксплуатационных затрат на разработку хвостохранилищ............112

§ 5.4. Выводы по главе 5.............................................................................................106

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................122

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................127

ВВЕДЕНИЕ

Горнодобывающее предприятие представляет собой комплексный источник негативного воздействия на окружающую природную среду. Распространение вредных веществ связано как с технологией добычи полезных ископаемых, так с получением полезного концентрата в процессе обогащения минерального сырья. Извлечение из недр огромных объемов горных пород и размещение вскрыши в отвалах, а отходов обогащения в шламо- и хвостохранилищах, затрагивают нарушениями значительные земли, как по площади, так и по глубине. При этом из-за несовершенства технологий в отходы попадает значительное количество полезных компонентов, которые, впрочем, могут быть вторично переработаны по мере развития научно-технического прогресса.

На основании этого фактора В.И. Вернадским было сформулировано понятие «техногенного месторождения», которое подразумевает собой скопление вторичных минеральных ресурсов, образовавшееся в результате складирования отходов производства и пригодное для разработки и производства товарной продукции в будущем по мере развития науки и техники. Однако применительно к большинству уже существующих отвалов и хвостохранилищ данное определение будет некорректно, поскольку при их формировании не учитывалась возможность их вторичной переработки. Поэтому в данной работе предлагается оперировать понятием «техногенное образование».

Неизбежное истощение запасов минеральных ресурсов, постоянного ухудшения горно-геологических и горнотехнических условий разработки, восстановление сырьевых ресурсов из горнопромышленных отходов путем их вторичной переработки является вопросом государственной важности.

В отношении отвалов твердых пород вскрыши ситуация в целом складывается обнадеживающе, имеются технологии и некоторый опыт их переработки. По-иному обстоит дело с переработкой обводненных хвостохранилищ обогатительных фабрик, характеризующихся куда более сложными условиями залегания и высокой степенью опасности для окружающей

среды. При наличии схем дообогащения этих техногенных образований до сих пор не обоснованы эффективные способы их разработки, технологическое оборудование и кондиции.

Ввиду выше изложенного, создание безопасных и высокопроизводительных технологических схем разработки хвостов обогащения является актуальной научно-исследовательской задачей в современных условиях горного производства, направленной на реализацию отдельных пунктов «Долгосрочной государственной программы изучения недр и воспроизводства минерально-сырьевой базы России на основе баланса потребления и воспроизводства минерального сырья» на период до 2020 года, утвержденной распоряжением правительством РФ №494 - р от 21.04.2003 «Основы государственной политики в области использования минерального сырья и недропользования».

Объектом исследования является горно-обогатительное предприятие ОАО «Лебединский ГОК». В настоящее время объем скопившихся отходов обогащения железистых кварцитов на руднике составляет болеее 600 млн. тонн. Отвалы и хвостохранилища занимают более 60% общей площади предоставленного предприятию земельного отвода. Значительная часть земель, занятых отходами, относится к категории сельскохозяйственных. По проведенной оценке физико-химического состава отходов обогащения, содержание железа в них достаточно высокое, пригодное для вторичной переработки. Это объясняется рядом факторов: несовершенство существующей технологии обогащения, аварийные остановки оборудования, несовершенство схем утилизации и улавливания просыпей и продуктов промсмывов.

Возможность разработки отходов горно-обогатительного производств в народном хозяйстве может обеспечить:

- значительное расширение минеральной базы страны;

- увеличение выпуска дополнительной продукции;

- снижение капитальных вложений в освоение новых месторождений;

- экономию затрат на складирование, содержание отвалов и хвостохранилищ, рекультивацию занятых земель;

- предотвращение ущерба от воздействия на окружающую среду;

- получение социального и экономического эффекта от снижения загрязнения окружающей среды.

Разрабатывая отходы, уже сейчас можно было бы сократить объем добываемой горной массы на 20 - 25%, снизить общую себестоимость продукции на 10-15% и оздоровить экологическую обстановку в районах горноперерабатывающих предприятий, а также освободит обширные земельные территории для проведения рекультивационных работ.

Основные задачи работы:

1. Анализ техногенных образований, динамики объемов лежалых хвостов обогащения и методической базы по вовлечению их в разработку.

2. Разработка методики исследования устойчивости откосов уступов и рабочих площадок при ведении добычных работ на хвостохранилищах.

3. Разработка и обоснование технологических схем эксплуатации железосодержащих хвостов на площади хвостохранилищ.

4. Выбор выемочно-погрузочного оборудования для разработки хвостохранилищ.

6. Экономическое обоснование целесообразности вовлечения в разработку железосодержащих хвостов обогащения.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использован комплексный подход, включающий: анализ отечественной и зарубежной литературы; проведение в лабораторных условиях исследований свойств лежалых хвостов; математическое, трехмерное параметрическое моделирование и обработку результатов исследований на ЭВМ с использованием специализированных программных комплексов.

Научная новизна:

1. Установлены зависимости коэффициент запаса устойчивости поверхности хвостохранилища и безопасной высоты добычного забоя экскаватора от влажности железосодержащих хвостов.

Основные защищаемые положения:

Практическая значимость работы:

н Предложена методика расчета безопасной высоты добычного забоя, представленного сложенными сыпучими материалами в обводненных условиях.

■ Предложена принципиальная схема дообогащения железосодержащих хвостов с получением железорудного концентрата до 66%.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается: значительным объемом проанализированной и обобщенной исходной информации для аналитических исследований, значительным объемом экспериментальных исследований в натурных и лабораторных условиях, применением современных методов анализа и обработки экспериментальных данных, хорошей сходимостью расчетных данных с результатами лабораторных и натурных экспериментов.

Предполагаемое внедрение.

Результаты исследований диссертационной работы имеет прикладное значение и послужат основой для проектирования, технико-экономической оценки возможности и целесообразности разработки техногенных образований, представленных хвостохранилищами горно-обогатительных предприятий.

Результаты диссертационной работы подтверждены актами внедрения на ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», ОАО «Новокаолиновый ГОК», а так же в качестве рекомендаций могут быть использованы, на ведущих горнодобывающих предприятиях ГОКов КМА, ОАО «Михайловский ГОК», ОАО «Лебедиский ГОК» и др.

Научные и практические результаты диссертации подтверждаются справкой о внедрении в учебный процесс подготовки студентов в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова и могут быть использованы в учебном процессе при подготовке студентов по специальности «Открытые горные работы» в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный».

Исследования выполнялись в рамках двух Государственных контрактов № 02.740.11.0695 «Создание геомеханически и экологически безопасных малоотходных способов разработки месторождений открытым способом в сложных гидрогеологических условиях» и № 14.132.21.1819 «Обоснование и разработка технологии формирования железосодержащих хвостохранилищ в отвалах вскрышных пород с учетом дальнейшего вовлечения в разработку».

Основные положения диссертационной работы освещались на: международном симпозиуме горняков (Фрайберг, Германия, 2012 г.), международной научно-практической конференции (София, Болгария, Горногеологический университет «Св. Ивана Рилски», 2012 г.); международной конференции молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 2012 г.); международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута, 2011 г.); международной научно-практической конференции «Открытые горные работы в 21 веке» (Красноярск, 2011г.); международной научно-практической конференции молодых учёных и студентов «Опыт прошлого -взгляд в будущее» (Тула, 2011 г.); XII международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2011 г.); студенческой научной конференции (Польша, Краковская горнометаллургическая Академия (КГМА), 2010, 2011 г.).

Основные результаты исследований представлены в 21 опубликованной работе, из них 6 - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, и 3-х свидетельств РФ.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 135 страниц, 29 таблиц, 60 рисунков и список литературы из 100 наименований.

ГЛАВА 1. ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИЕ ХВОСТОХРАНИЛИЩА, ИСТОЧНИКИ ИХ ОБРАЗОВАНИЯ И ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ

§1.1. Анализ источников образования промышленных отходов, характеристики и возможность вовлечения в разработку железосодержащих хвостохранилищ

Горно-металлургическое предприятие России с полным производственным циклом характеризуется истощением минерально-сырьевой базы и образованием огромного количества промышленных отходов (ПО) на каждом производствееном цикле, начиная с добычи и заканчивая переработкой, как показано на рисунке 1.1. [68]

Отвалы вскрышных пород Хвостохранилище Отвалы шлаков Полигон

Рисунок 1.1- Схема образования и размещения отходов добывающего

и перерабатывающих производств

Карьер Обогатительная Металлургическое Производство, эксплуатация

фабрика производство конечных товаров

Готовая продукция

Сырье

;

Отходы

Переработка Отходы вторсырья

Сырье у Отходы

Сырье