Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Повышение экологической безопасности разработки жильных месторождений за счет использования температурного ресурса криолитозоны

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Повышение экологической безопасности разработки жильных месторождений за счет использования температурного ресурса криолитозоны"

На

4839794

ПЬЯННИКОВ Павел Валерьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ РАЗРАБОТКИ ЖИЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЗА СЧЁТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕСУРСА КРИОЛИТОЗОНЫ

Специальности: 25.00.36 - «Геоэкология (горно-перерабатывающая промышленность)»; 25.00.22 -«Геотехнология (подземная, открытая и строитель

ная)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва 2011

4839794

Работа выполнена в ООО «Инженерный Центр Геотехнологий» Учреждение Российской Академии Наук Институт Проблем Комплексного Освоения Недр (УРАН ИПКОН)

Научный руководитель

Официальные оппоненты

доктор технических наук ГАЛЧЕНКО Юрий Павлович доктор технических наук АЙНБИНДЕР Игорь Израилевич доктор технических наук, профессор КАЛАБИН Геннадий Валерьянович

Ведущая организация

кандидат технических наук ТИТОВ Леонид Михайлович Московский Государственный Горный Университет

Защита состоится 22 марта 2011 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 002.074.01 Института проблем комплексного освоения недр РАН: 111020, Москва, Е-20, Крюковский тупик, 4, факс: (495)360-89-60. ррауе!78 @ mail.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем комплексного освоения недр РАН.

Автореферат разослан «10» февраля 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета докт. техн. наук

Папичев В. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы - главная особенность перспективного развития нашей сырьевой базы - это увеличение доли месторождений, расположенных в криолитозоне, занимающей по некоторым оценкам от 65 до 75 % территории России. Эта же тенденция свойственна и развитию как золотодобывающей промышленности в целом так и компании ОАО «ИГ»Алроса»» в частности, которая формирует свой золотодобывающий сектор на базе освоения группы коренных месторождений жильного типа, дислоцированных в высокоширотной части зоны многолетней мерзлоты. Одним из наиболее перспективных месторождений является Юочус, расположенное в пределах Куларского золотоносного района в западной части Верхоянского хребта.

Известно, что биогеоценозы криолитозоны представляют собой особый элемент биосферы, характеризующийся низкой ёмкостью биологического оборота, мозаичностью почвенного и растительного покрова, бедностью видового состава фитоценозов и их низкой биопродуктивно-стъю. Это означает, что при техногенном разрушении участков биогеоценозов в процессе добычи полезных ископаемых возможности биоты к самовосстановлению в постэксплуатационный период является очень ограниченным. Поэтому при формировании и развитии природно-технических систем освоения недр в криолитозоне весьма актуальной следует считать повышение экологической безопасности применяемых геотехнологий до уровня, обеспечивающей сохранность и самовосстановление низкопродуктивных экосистем криолитозоны.

Цель работы - повышение экологической безопасности освоения месторождений в малопродуктивных и низкоустойчивых экосистемах криолитозоны.

Идея диссертации - заключается в использовании температурного ресурса абиоты для экономически эффективного сохранения биоты путём восстановления в выработанном пространстве массива многолетней мерзлоты из отходов обогащения.

В работе использован комплексный метод исследований, включающий в себя: анализ и обобщение материалов литературных и фондовых источников, структурно-функциональный анализы и синтез, графоаналитический метод, методы теории размерности и математического моделирования, а также аналитическая обработка результатов натурных наблюдений.

Научная новизна:

1. Выдвинута и разработана гипотеза об итерационном развитии демутационных процессов в зоне техногенного поражения биоты горными предприятиями.

2. Установлено, что скорость развития демутационных процессов определяется не абсолютной величиной площади техногенного поражения биоты, а соотношением приведенного радиуса этой зоны с длиной переноса семян эдификаторной группы растительных видов.

3. Теоретически и методически обоснованы принципы построения геотехнологии с замкнутым циклом обращения твердых отходов на основе использования структуры естественного температурного ресурса крио-лигозоны.

4. Установлены закономерности развития термодинамических процессов в закладочном массиве на стадиях применения переменного во времени климатического и постоянного геологического температурных ресурсов криолитозоны, и раскрыт механизм и установлены закономерности и условия использования климатического температурного ресурса для интенсификации термодинамических процессов, протекающих в закладочном массиве за счет использования геологического ресурса.

5. Доказано определяющее влияние показателей изменчивости рудных жил по линии падения и простирания на выбор систем разработки и технологии очистной выемки, с учетом последующего воссоздания в выработанном пространстве массива вечной мерзлоты.

Достоверность результатов исследований подтверждается соблюдением преемственности в отношении научных положений, обоснованных учеными-предшественниками и апробированных в процессе многолетнего применения в науке и практике; надежностью применяемых традиционных методов исследований; достоверностью и представительностью используемой в расчетах информации, апробацией научных результатов в широком кругу специалистов, успешным применением основных технологических решений на практике.

Научное значение полученных результатов состоит в раскрытии закономерностей взаимосвязанного развития дигрессивных и демутаци-онных процессов в нарушенных горными работами экосистемах криолитозоны и в обосновании на этой основе криогенной геотехнологии эффективного и экологически безопасного освоения жильных месторождений.

Основные защищаемые положения:

1. В природно-технических системах освоения рудных месторождений в криолитозоне устойчивость природной составляющей к техногенному воздействию определяется сохранением остаточной способности фитоценоза к самовосстановлению и оценивается относительной величиной изменения плотности эдификаторной синузии этого фитоценоза.

2. В малопродуктивных биосистемах криолитозоны, устойчивость которых в большей степени определяется функциональным, чем видовым разнообразием, интенсивность развития демутационных процессов определяется не абсолютным размером площади техногенного поражения биоты, а соотношением ее приведенного радиуса с длиной переноса семян видов-эдификаторов.

3. Замкнутый цикл обращения твердых отходов горнообогатительного производства достигается путем восстановления, за счет использования общего температурного ресурса криолитозоны, в выработанном пространстве массива вечной мерзлоты, на основе геотехнологии функциональная структура которой определяется соотношением величи-

ны изменяющегося во времени климатического и постоянного геологического температурных ресурсов.

4. Выбор геотехнологии отработки крутопадающих жил в криоли-тозоне определяется морфологией рудных тел в направлении основных элементов залегания при соблюдении условий полного размещения в выработанном пространстве подготовленных твердых отходов горнообогатительного производства.

Практическое значение диссертации состоит в создании типо-размерного ряда систем разработки с выемкой руды по падению или по простиранию, в конструкции которых учтены требования экологической безопасности в сочетании с экономической эффективностью их применения.

Результаты работы могут быть использованы:

- в практике научно-исследовательских и проектных институтов, связанных с проблемами освоения жильных месторождений в криолито-зоне;

- в практике совершенствования технологических процессов на горно-обогатительных предприятиях;

- в качестве методического обеспечения при организации учебного процесса по подготовке специалистов и магистров в области геотехнологии и геоэкологии.

Личный вклад автора состоит в выборе и научном обосновании направления и методов исследования, в теоретическом исследовании особенностей развития демутационных процессов в зонах техногенного поражения горных предприятий; в обосновании идеи дифференцированного использования летнего и зимнего температурного ресурса криолито-зоны, а также в обосновании принципов построения геотехнологии в целом и отдельных ее элементов с учетом изменения во времени интенсивности тепловых потоков и изменения в пространстве модуля сложности отрабатываемых участков жил.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований докладывались автором на научных конференциях и симпозиумах: «Экологобезопасные технологии освоения недр Байкальского региона» (Улан-Удэ, 2000), «Научные и практические аспекты добычи цветных, редких и благородных металлов» (Хабаровск, ИГД ДВО РАН, 2000), «Проблемы освоения георесурсов российского Дальнего Востока и стран АТР» (Владивосток, ДВГТУ, 2001), «Физические проблемы разрушения горных пород» (Абаза, 2003), VII Международная конференция -«Новые идеи в науках о Земле» (Москва, МГТРУ, 2005), «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2001-2007 гг.).

Публикации. Результаты исследований отражены в 7 опубликованных работах, в том числе 5 в рецензируемых изданиях, входящих в список ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 143 страницах машинописного текста и состоит из введения, пяти глав

и заключения. Содержит 34 рисунка, 13 таблиц, список литературы из 96 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Освоение запасов любого месторождения неизбежно связано с полньм или частичным разрушением как абиоты, так и биоты природных экосистем. При этом применяемые геотехнологии полностью определяют глубину дигрессии естественной биоты, что и предопределило общую структуру работы состоящей из двух частей, различных по характеру исследований, но взаимно детерминированных через единство конечной цели. Сначала были рассмотрены особенности техногенной дегрессии биоты экосистемы криолитозоны при освоении жильных месторождений, изучены условия развития в них демутационных процессов, и определены требования к применяемым геотехнологиям, обеспечивающим повышение экологической безопасности. Затем были проведены исследования особенностей формирования температурного ресурса абиоты экосистем криолитозоны и возможностей его применения для решения экологических задач путём формирования геотехнологий, отвечающих не только особенностям геологии месторождений, но и требованиям экологии.

Исследованием экологических последствий антропогенной нарушенное™ земель начали активно заниматься с 60-х годов прошлого века. Большой вклад в решение экологических проблем при развитии минерально-сырьевого комплекса в нашей стране внесли академики В.И. Вернадский, В.Н. Сукачев, H.H. Моисеев, К.Н. Трубецкой, В.И. Осипов, член-корр. РАН В.И. Данилов-Данильян, доктора технических наук Н.В. Демин, Г.В. Калабин, Н.Ф. Реймерс, М.Е. Певзнер, K.M. Петров, В.И. Косое, H.H. Чаплыгин, Ю.П. Гапченко, В.И. Папичев и др.

Возможность эффективной и безопасной разработки жильных месторождений в криолитозоне ограничивается влиянием большого числа природных факторов, многие из которых свойственны только этому типу месторождений: дискретность оруденения, малая мощность рудных тел и сложная морфология.

Изучению влияния именно этих факторов на показатели горного производства посвящены исследования ведущих специалистов, занятых проблемами разработки жильных месторождений: академика М.И.Агошкова, члена-корреспондента АН СССР Д.М. Бронникова, докторов технических наук А.Ф. Назарчика, А.И. Ляхова, А.Е. Ергалиева, Ю.П. Галченко, А.М. Фрейдина, Г.А. Курсакина, В.М. Бусырева, кандидатов техн. наук Д.И. Рафиенко, JI.A. Мамсурова, Н.И. Попова и др.

Вопрос о возможности использования температурного ресурса криолитозоны для повышения безопасности и эффективности закладочных работ изучается довольно давно. Основополагающий вклад в развитие в нашей стране этого научно-технического направления внесли член-корр. АН СССР Богданов Е.И., доктора технических наук Бабакин В.П.,

Докучаев В.В., Вялов С.С., Дядькин Ю.П., Ельчанинов Е.А., Емельянов В.И., Мамаев Ю.А., Михайлов Ю.В.

Процесс техногенного разрушения литосферы при получении необходимых полезных ископаемых порождает разветвленную систему разнообразных воздействий на абиоту и биоту экосистем природно-территориальных комплексов, в пределах которых располагаются добывающие предприятия. Величина и качество этих воздействий определяются типом геотехнологии, применяемой при добыче полезного ископаемого, а экологические последствия - особенностями строения нарушаемой при этом экосистемы.

Вокруг горного предприятия можно выделить несколько зон, отличающихся по глубине разрушения элементов экосистемы и сохранению ее способности к самовосстановлению после снятия техногенной нагрузки: зона полного поражения; зона первичной сукцессии; зона деградации; зона самовосстановления и зона угнетения.

Исходя из основных положений теории биоценологии, можно, в качестве рабочей гипотезы, выдвинуть положение о том, что необходимым и достаточным условием самовосстановления биоты экосистемы является сохранение жизнеспособности эдификаторной синузии ее фитоценоза, состояние которой оценивается величиной плотности популяции автохтонных видов - эдификаторов. (пО.

Экосистема в ее равновесном состоянии до начала техногенного воздействия характеризуется величиной (лэ), а экосистема, измененная этим воздействием, - величиной (пр). Тогда степень техногенного поражения экосистемы можно оценить безразмерной величиной (Кт), назовем ее коэффициентом техногенного изменения экосистемы: Кт = пэ -ир/пэ

Так как устойчивость экосистемы к техногенному воздействию в принятой нами гипотезе определена, как сохранение ее остаточной способности к самовосстановлению, то показатель устойчивости экосистемы (Ку) к воздействию, изменившему плотность эдификаторной синузии ее фитоценоза с величины (пэ) до величины (Ир), можно определить из выражения: Ку = 1 — 5П/Б0, где Бп - площадь полного техногенного поражения

биоты; - площадь биотопа в границах которого функционирует предприятие.

Процесс естественного самовосстановления естественной биоты после окончания горных работ будет определяться восстановительными ресурсами первичной биоты, размерами зоны техногенного поражения и климатическими особенностями региона.

С учетом этих позиций, процесс самовосстановления биоты на нарушенной территории радиусом /?„ и площадью 5П = можно рассматривать через динамику биопродуктивности эдификаторной синузии (Ьэ0 от нуля до величины Ьэ, равной продуктивности этой группы растений в ненарушенном фитоценозе первичной биоты: О <Ь^<ЬЭ.

В рамках принятой гипотезы, процесс самовосстановления фитоценоза (а значит и экосистемы в целом) может считаться завершенным, когда годовой прирост чистой биологической продуктивности всех ви-дов-эдификаторов за счет зарастания нарушенной площади достигнет величины Ьэ и стабилизируется на этом уровне.

В соответствии с законом действия факторов Тинемана, воссоздание фитоценоза экосистемы путем самовосстановления эдификаторной синузии будет определяться минимальным из всех, существующих в конкретном распределении, значений длины естественного переноса семян (1С). Тогда площадь техногенного поражения, у которой Я„<1С будет естественным путем засеяна семенами рассматриваемых видов за один цикл вегетации.

Отсюда следует, что время самовосстановления чистой продуктивности всей эдификаторной синузии (Тв) может быть получено из выражения:

Т = Ь, = у Кл, в АЬЭ 1 АКл/ Дл,.'

где Кл - продуктивное покрытие (или листовой индекс) фитоценоза; ДКЛ -среднегодовое увеличение Кл за счёт роста растений.

При размерах зоны полного уничтожения биоты меньшей, чем длина естественного переноса семян видов-эдификаторов фитоценоза первичной биоты, время ее самовосстановления определяется скоростью роста растений и изменением плотности популяции каждого вида, т.е. средним приростом продуктивности фитоценоза. (Рис. 1).

Совершенно иную динамику имеет восстановительная сукцессия на более крупных участках техногенного поражения биоты (/?„ > 1С). Модель развития процесса самовосстановления в этом случае можно представить в виде пошаговой итерации от внешней границы зоны поражения к ее центру.

Тогда время, необходимое для самовосстановления фитоценоза на

ы К п

всей площади (Т0б) составит: Т б = ^ " • У —•

1,771С 1 Д/£л,- Длг Таким образом, характер влияния площади полного поражения биоты при строительстве и эксплуатации горного предприятия определя-

: I 4 « « г ! • те I

Рис. 1. Расчетная зависимость времени естественного самовосстановления эдификаторной синузии (Тв) от

среднего прироста продуктивности видов (ДЬэ) для среднегорной тундры (1) и пойменного леса (2) в криолигозоне

ется не абсолютным размером этой площади, а величиной соотношения приведенного радиуса этого отвода (Лп) с длиной естественного переноса семян (/с). Если /?„ < 1С, то время самовосстановления фитоценоза биоты не зависит от величины площади техногенного поражения. Эта площадь оказывает косвенное воздействие, через показатели прироста биомассы и проективного покрытия. Для более крупных земельных отводов, когда /?„ > 1С, длительность периода самовосстановления фитоценоза возрастает прямо пропорционально их площади. Таким образом, при размерах площади техногенного поражения меньших, чем площадь переноса семян (5П

< л/с2 ), время самовосстановления фитоценоза напрямую не зависит от этой площади. Оно определяется видовым составом эдификаторной си-нузии, биопродуктивность видов и скоростью роста каждого из них.

В остальных случаях, когда 5„ > я/с2 . размер площади техногенного поражения становится основным фактором, определяющим динамику самовосстановления фитоценоза. Учитывая различную устойчивость разных экосистем к одному и тому же виду техногенного воздействия, можно на основании ранжирования этих видов по степени опасности для конкретной экосистемы сформулировать требования к необходимым технологическим решениям при подземном освоении месторождений в криолито-зоне:

1. замкнутый цикл оборота твердого вещества с возвращением его невостребованной части в выработанное пространство, позволяющим создавать устойчивые конструкции закладочного массива, складировать ценные примеси отходов обогащения в фиксированном пространстве для извлечения в будущем, предотвращать нарушение экосистемы, исключая выщелачивание металлов и химически активных соединений из хвостохранилшц;

2. управление горным давлением методами, исключающими массовое применение лесоматериалов и обрушение поверхности и позволяющими минимизировать объемы доставляемых материалов;

3. максимальная полнота выемки балансовых запасов;

4. высокая производительность добычных работ, дающая возможность снизить численность персонала до величины, позволяющей применять вахтовый метод освоения месторождения.

Создание геотехнологий, отвечающих этим требованиям может дать управляемую возможность снизить уровень техногенного воздействия предприятия до границ диапазона толерантности видов-эдификаторов нарушаемой экосистемы, предотвратить возникновение субклимаксных экосистем и ускорить начало демутационных процессов после отработки запасов месторождения.

Возможности замкнутого цикла обращения твёрдого вещества литосферы определяются характером его использования и принятой технологией разработки месторождений. В процессе освоения недр извлекаемое вещество делится на три параллельных потока: полезное ископаемое, поступающее на первичную переработку; сопутствующие пустые поро-

ды, складируемые на земной поверхности; тонкодисперсная пыль, выдаваемая вентиляционной струёй в атмосферу.

При разработке жильных месторождений золота большая часть (не менее 90-95 %) полезного ископаемого остается на месте добычи в виде хвостов обогащения. Существующие пустые породы также складируются в пределах земельного отвода. По степени поражения биоты площади, занятые отвалами пустых пород и хвостохранилищами, относятся к высшей - V категории нарушенное™, которая характеризуется полным уничтожением коренного биологического сообщества и изъятием земли из естественного обращения на неопределённый срок.

При организации замкнутого цикла обращения этого вида твердых отходов прямой экологический эффект выражается в виде предотвращения полного уничтожения биоты на площади занятой этими отходами, получить этот эффект можно только путем возврата отходов обогащения в выработанное пространство горных работ. Для криолитозоны это может означать восстановление массива вечной мерзлоты, нарушенного горными работами. Тогда проблема повышения экологической безопасности освоения месторождений в криолитозоне путем восстановления массива вечной мерзлоты из отходов горного производства в геотехнологическом плане распадается на две взаимосвязанных задачи:

1. создание технологии восстановления массива вечной мерзлоты из твердых отходов обогащения в выработанном пространстве горного предприятия, включая подготовку этих отходов на поверхности.

2. обоснование геотехнологии подземной разработки, позволяющей наиболее эффективно использовать выработанное пространство для размещения отходов обогащения.

Естественный температурный ресурс, который может быть использован для воссоздания в выработанном пространстве массива вечной мерзлоты, включает в себя две составляющие - климатическую и геологическую, каждая из которых изменяется по собственным законам и оказывает различное влияние на выбор технологических решений (Рис.2).

В целом, технология воссоздания массива вечной мерзлоты в выработанном пространстве подземного рудника, включает в себя три основных процесса: подготовку отходов обогащения; транспортирование подготовленных отходов; формирование закладочного массива и его последующее замораживание. Внутренняя структура каждого из этих технологических процессов определяется характером изменения во времени температурного ресурса (Рис.3). Замкнутый цикл обращения твердых отходов будет обеспечен, если объемы добычи руды в периоды использова-

1 - климатического (температура наружного воздуха); 2 - геологического (массива горных пород); 3 - общего Рис.2. Характер изменения во времени температурного ресурса

ния геологического и климатического температурных ресурсов находятся в соотношении:

¿гМг = АсМк

д+к^ю-к,)

а+к^Жз

где: Ьг и Ьк - общая длина блоков, отработанных соответственно, в период использования геологического и климатического температурных ресурсов; Мг и Мк - средняя выемочная мощность на участках длиной Ьг и Ь*; Км.б и К^ п - соответственно доля воды в составе брикета и закладочной пульпы; К, - коэффициент заполнения выработанного пространства закладочными брикетами.

Рис. 3. Принципиальная схема геотехнологии размещения твердых отходов обогащения в выработанном пространстве путем воссоздания массива вечной мерзлоты

Размеры и форма закладочных брикетов определяются временем их замораживания (Тб), которое возрастает почти прямо пропорционально его приведённому радиусу и значительно меньше зависит от температуры наружного воздуха.

При определении продолжительности периода технологического использования климатического температурного ресурса в качестве граничного значения принимается среднемесячная температура (г0^) наружного воздуха, при котором прессованные брикеты с приведенным радиусом Гб замерзают на поверхности за одну технологическую смену работы подземного рудника (Гсм.)- (Рис. 4).

Процесс восстановления массива вечной мерзлоты в выработанном пространстве протекает при использовании геологического температурного ресурса вечномерзлых пород, имеющих постоянную температуру. При этом необходимо выделить три основных этапа: заполнение выработанного пространства замороженными брикетами; заполнение пустот сформированного насыпного массива пульпой; замерзание двухфазного массива.

Продолжительность первого этапа равна числу месяцев со средней температурой воздуха (?%.) ниже, чем критическая по условиям замерзания брикетов (О- Остальное время занимает второй этап процесса. Третий этап не связан с температурой внешнего воздуха. Его продолжительность прямо пропорциональна температуре вечномерзлых пород.

При заполнении выработанного пространства замороженными

брикетами, имеющими температуру наружного воздуха, геологический температурный ресурс, соответствующий постоянной температуре вмещающих пород, существенно дополняется опосредованным использованием ресурса климатического в виде переохлажденных, по сравнению с вмещающими породами, закладочных брикетов. Интенсивность передачи энергии от брикетов в массив горных пород регулируется величиной коэффициента те-плопереноса в системе брикеты-порода. Продолжительность периода выравнивания температуры (Ту) зависит от температуры наружного воздуха во время замораживания брикетов, а также от выемочной мощности. (Рис. 5).

Продолжительность третьего этапа восстановления массива вечной мерзлоты определяется температурой вечномерзлых пород и выемочной мощностью. Вполне очевидно, что это время не имеет никакого значения для выбора каких-либо технологических параметров. Оно определяет момент начала выемки временных рудных целиков (подштреко-

Рис.4.3ависимость времени замерзания брикета (Те) при различной температуре (1°н) и граничного значения среднемесячной температуры от размеров брикетов (гб) и их температуры (1цб.)

Рис. 5. Зависимость времени выравнивания температуры в блоке (Ту) от температуры брикетов (и0) и выемочной мощности (М).

вых, надштрековых и междублоковых) оставленных при отработке того или иного участка месторождения. В период положительных температур

наружного воздуха, когда эта температура (7°) выше критической )

по условиям замораживания брикетов, (то есть когда ) твердые

отходы обогащения поступают в выработанное пространство в виде пульпы, консистенция которой устанавливается с одной стороны по условиям гидротранспортирования по трубопроводам, а с другой - по условиям максимальной степени заполнения пустот в насыпном закладочном массиве, сформированном в выработанном пространстве в период использования климатического температурного ресурса (когда ).

В период использования климатического температурного ресурса весь объем отходов будет размещен в выработанном пространстве, при условии:

на •ь^ м^ Кто'(1+Квлб) < Т Я -Ь .М

кл а кл кл ^ гр а 1Р гр

где: Т^ и Тф - соответственно, продолжительность периода использования климатического и геологического ресурсов; На - активная высота блока; Цщ и Ьрр - общая длина блоков, отработанных за время Тет и Т^; Мщ, и Мф - средняя выемочная блоков отработанных за время Тга и Тф; Кто - коэффициент выхода твёрдых отходов при обогащении.

При не выполнении этого условия часть брикетированных отходов (Д^ ) неизбежно будет складироваться на земной поверхности:

тет 4л кто-а+к'вл,.)

2>б

Т мго кз

гр гр гр 3

В период использования геологического температурного ресурса (Т„) все отходы обогащения в виде пульпы с содержанием воды

К'вл^=-——, (ед.) размещаются в пустотах насыпного массива из замороженных закладочных брикетов, если содержание жидкой фазы в пульпе соответствует соотношению:

Кто т„ ^ м/

Необходимость решения вопросов экологической безопасности путем возврата в выработанное пространство твердых отходов горного производства и воссоздание из них в этом пространстве массива вечной

13

мерзлоты, предъявляет ряд новых специфических требований к применяемой технологии добычи руды. Основное из этих требований, естественно, - максимальная степень использования выработанного пространства для размещения в нем твердых отходов. Так как основная часть этих отходов поступает в виде замороженных закладочных брикетов, то данное требование трансформируется в необходимость конструктивного обеспечения наибольшей технически доступной величины коэффициента заполнения выработанного пространства. (Кз6).

Величина этого коэффициента складывается из двух составляющих - коэффициента плотности укладки насыпного массива (К'б) и коэффициента полезного использования объема выработанного пространства при размещении в нем насыпного массива из замороженных брикетов (К''б): (Кзб)= К4 • К"6

При правильной укладке в рассматриваемом объеме брикетов одинакового размера с приведенным радиусом гб, показатель плотности укладки (К'б) определится как отношение: К'з6 = (№'б)1{ЬН)

где: N и 5д - соответственно

количество брикетов и площадь сечения одного брикета.

Величина коэффициента использования объема выработанного пространства (К'д) полностью зависит от конструкции применяемых систем разработки и способа подачи закладочных брикетов в выработанное пространство блока (Рис. 6).

Практическая реализация всех этих требований в виде геотехнологий отработки балансовых запасов жил, возможна в двух модификациях:

- выемка запасов стандартными блоками с оставлением между ними рудных целиков.

Рис. 6. Влияние количества загрузочных окои (Ы) и относительной длины блоха (1УН) на коэффициент использования объёма выработанного пространства

- сплошная выемка запасов по простиранию с разделением рудными целиками только участков отрабатываемых в периоды использования различных температурных ресурсов (климатического и геологического). (Рис.7).

Рис.7, а - вариант системы с магазинированием руды и шпуровой отбойкой; б - система разработки жил с магазинированием руды и применением монорельсового очистного комплекса; в - система разработки монорельсовым комплексом с магазинированием руды при уступной форме очистного забоя; г - вариант системы с открытым очистным пространством и отбойкой руды из подэтажных штреков; д - система разработки прирезками по простиранию с непрерывным наращиванием закладочного массива на основе применения отбойки руды из восстающих выработок в нескольких прирезках одновременно; е - система разработки жил из подэтажных штреков с непрерывным наращиванием закладочного массива

При отработке жил с преобладающей изменчивостью формы по линии падения, использовать технологию очистной выемки с отбойкой руды горизонтальными скважинами из восстающих с использованием высокопроизводительных отечественных монорельсовых комплексов КОВ-25. При выемке рудных жил, имеющих более высокую изменчивость формы по линии простирания наиболее высокие показатели полноты выемки балансовых запасов на стадии проведения очистных работ могут быть получены при использовании технологии отбойки руды скважинами из горизонтальных буровых выработок (подэтажей).

Общая эффективность (Эоб) применения предлагаемой геотехнологии с воссозданием в выработанном пространстве рудника массива вечной мерзлоты из отходов обогащения составит:

Эоб = Эт + Эпр + Эж + Упб - У™, (руб/т). где: Эх - возможный эффект от применения высокопроизводительной геотехнологии добычи руды; Эщ, - эффект в виде предотвращенного экологического ущерба природной среде за счет уменьшения объема хранения отходов на поверхности; Эж - экологический эффект от снижения площади селитебной инфраструктуры; У „б - эффект за счет снижения экологического ущерба от накопления пустот в литосфере; Упн - дополнительные затраты, связанные с восстановлением массива вечной мерзлоты.

Первая составляющая может дать прямой экономический эффект, который зависит от производительности применяемой технологии. Таблица - Расчёт экологической и экономической эффективности пред-

лагаемой геотехнологии

Эк-ий эффект

№ Показатели Удельный экономический эффект, руб7т Общий, млн. рубУгод

1. Эффективность технологии очистной выемки (Эг) 220,0 39,6

2 Эффективность от уменьшения объёма хранения отходов на поверхности (Эщ,) 173,1 31,1

3 Эффективность от снижения площадей селитебной инфраструктуры (Эж) 3,9 0,7

4 Эффективность - от накопления пустот в литосфере (У„б) 165,9 29,9

5 Итого экономическая эффективность 562,9 101,3

6 Дополнительные затраты на восстановление массива вечной мерзлоты (У,™) 137,3 24,7

7 Фактическая эффективность применения новой технология, в т.ч.: 425,6 76,6

- снижение технологических затрат (Эт - У и,) 82,7 14,9

- уменьшение экологического ушерба (Эщ, + Эж + Упб) 342,9 61,7

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано решение актуальной научной задачи по обоснованию геотехнологического способа снижения экологической нагрузки на экосистемы криолитозоны при освоении жильных месторождений. Основные научные и практические результаты состоят в следующем:

1. Показано, что перспективное развитие минерально-сырьевого комплекса России в значительной степени связано с освоением ресурсов криолитозоны, экосистемы которой характеризуются относительно низкими биопродуктивностью и устойчивостью, зависящими в основном от функционального, а не видового разнообразия.

2. Установлено, что дигрессия биоты в зоне воздействия горного предприятия имеет форму одностадийного процесса с нарастающей во

времени интенсивностью, а демугация развивается итерационно, с шагом, определяемым длиной переноса семян видов-эдификаторов фитоценоза.

3. Доказано, что характер влияния площади полного поражения биоты при строительстве и эксплуатации горного предприятия определяется не абсолютным размером этой площади (Бп), а соотношением её приведённого радиуса с длиной естественного переноса семян (1с) видов эдификаторной синузии. При Б,, < я12с время самовосстановления фитоценоза определяется только видовым составом эдификаторной синузии, биопродуктивностью видов и скоростью роста каждого из них. При 8П > к1\ время самовосстановления фитоценоза прямо пропорционально площади техногенного поражения.

4. Разработана классификация первичных и вторичных техногенных факторов при подземном освоении жильных месторождений и показано, что определяющее экологическое значение в условиях криолитозо-ны имеют последствия накопления на поверхности твёрдых отходов и создания селитебной и транспортной инфраструктуры.

5. Уточнено содержание понятия и структуры общего температурного ресурса криолитозоны, выдвинута и разработана гипотеза о возможности его использования для решения экологических проблем подземного освоения жильных месторождений.

6. Обоснована и предложена новая геотехнология восстановления в выработанном пространстве массива вечной мерзлоты из текущих хвостов обогащения, основанная на раздельном или совместном использовании геологической и климатической составляющих температурного ресурса криолитозоны.

7. Получены аналитические зависимости скорости замерзания брикетов от природных и технологических факторов, позволяющие обосновать оптимальные параметры технологии подготовки отходов к размещению в выработанном пространстве рудника.

8. Выявлен и изучен эффект аккумулирования энергии климатического температурного ресурса во вмещающих породах на стадии заполнения выработанного пространства замороженными брикетами и установлены зависимости, определяющие граничные условия использования этой энергии для замораживания двухфазного закладочного массива.

9. Установлено, что замкнутый цикл обращения твёрдого вещества литосферы при разработке жил в криолитозоне обеспечивается, если объёмы добычи руды в период активного использования климатического и геологического температурных ресурсов находятся в соотношении, определяемом количеством воды в пульпе и коэффициентом заполнения выработанного пространства в период использования только климатического температурного ресурса.

10. Установлено, что процесс восстановления массива вечной мерзлоты не оказывает прямого влияния на выбор системы разработки и технологии очистной выемки, в то же наибольшая экономическая и экологическая эффективность этого процесса обеспечивается при использовании сплошной выемки жил по простиранию вертикальными прирезка-

ми с непрерывным наращиванием закладочного массива из замороженных брикетов.

11. Общая эффективность применения предлагаемой геотехнологии складывается из эффекта от применения высокопроизводительной технологии очистной выемки и из снижения экологического ущерба от размещения на земной поверхности отходов обогащения и селитебной инфраструктуры, а также от формирования в литосфере пустот, требующих рекультивации.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Галченко Ю.П., ПъяннжовП.В. Исследование условий самовосстановления экосистем, нарушенных горными предприятиями //Экологические системы и приборы, №2, 2006. С. 21-24.

2. Пьянников П.В. Некоторые особенности развития демутационных процессов при освоении жильных месторождений в криолитозоне. // Наука и новейшие технологии при разведке и разработке месторождений полезных ископаемых. - М.:, РГТРУ, 2006. С.85-86.

3. Галченко Ю.П., Пьянников П.В. Геоэкологические особенности обращения твёрдого вещества литосферы в природно-технических системах освоения жильных месторождений.//Экологические системы и приборы №2, 2008, с.51-54.

4. Галченко Ю.П., Пьянников П.В. Особенности использования температурного ресурса вечномерзлых пород при создании экологически безопасных геотехнологий освоения жильных месторождений в криолитозоне.// Экологические системы и приборы №12,2007, с.34-36.

5. Галченко Ю.П., Сабянин Г.В., Пьянников ИВ. Развитие природно-технических систем освоения жильных месторождений в криолитозо-не.//История науки и техники №7, 2007, с.36-47.

6. Галченко Ю.П., Сабянин Г.В., Пьянников П.В. Особенности формирования техногенно изменённых недр при освоении жильных месторождений в криолитозоне.//Золотодобывающая промышленность, №2(№32), 2009, с.14-17.

7. Галченко Ю.П., Сабянин Г.В., Пьянников П.В. Способ подземной разработки рудных месторождений в криолитозоне. Патент РФ №2369741, заявка №2007125417/03. Приоритет 06.07.2007; опубл. 10.10.2009. Бюл. №28

Лицензия JIP №21037 Подписано в печать с оригинал-макета 03.02.2011 г. Формат 60x84 1/16. Бумага «Mega Сору Office». Печать офсетная. Набор компьютерный. Объем 1 п.л. Тираж 120 экз. Заказ № 184.

Издание УРАН ИПКОН РАН 111020 г. Москва, Крюковский тупик, д. 4

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Пьянников, Павел Валерьевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. Особенности строения и развития природно-технических систем освоения жильных месторождений в криолитозоне.

1.1. Особенности строения и функционирования природной составляющей

1.2. Анализ современного состояния технической составляющей.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.

Глава II. Обоснование требований к геотехнологии подземного освоения жильных месторождений в криолитозоне.

2.1. Эколого-геологические условия освоения основных жильных месторождений ОАО «ИГ «Алроса».

2.2 Исследование особенностей техногенных факторов при разработке жил в криолитозоне.

2.3 Исследование условий самовосстановления биоты экосистем, нарушаемых горными предприятиями.

2.4 Обоснование требований к геотехнологии подземной разработки жил

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ II.

Глава III. Исследование структуры геотехнологии на основе восстановления массива вечной мерзлоты из отходов горного производства.

3.1 Исследование технологических возможностей использования особенностей абиоты экосистем криолитозоны для сохранения её биоты при освоении жильных месторождений.

3.2 Обоснование принципов построения геотехнологии восстановления массива вечной мерзлоты.

3.3 Изменение баланса твердого вещества и закладочного материала в зависимости от распределения температурного ресурса.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ III.

Глава IV. Исследование физических и технологических процессов восстановления массива вечной мерзлоты в выработанном пространстве.

4.1 Исследование геологических особенностей применения технологии восстановления массива вечной мерзлоты в выработанном пространстве

4.2 Исследование процессов на основе геологического температурного ресурса.

4.3 Исследование общего баланса пустот и отходов при воссоздании массива вечной мерзлоты.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ IV.

Глава V. Геотехнология разработки жильных месторождений с учётом требований сохранения биоты экосистем криолитозоны.

5.1 Обоснование общих требований к геотехнологии и принципов ее построения.

5.2 Геотехнология отработки жил единичными блоками.

5.2.1 Общие положения.

5.2.2 Выемка жил со сложной морфологией по падению и по простиранию.

5.2.3 Геотехнология отработки жил с преобладающей сложностью формы по линии падения.

5.2.4 Отработка жил с преобладающей сложностью формы по линии простирания.

5.3 Геотехнология с непрерывным формированием закладочного массива

5.4. Технико-экономическая и экологическая эффективность предлагаемой технологии.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ V.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Повышение экологической безопасности разработки жильных месторождений за счет использования температурного ресурса криолитозоны"

Одним из перспективных направлений развития добывающей промышленности, вообще, и компании ОАО ИГ «Алроса», в частности, является создание и развитие золотодобывающего сектора на базе освоения группы коренных месторождений жильного типа, расположенных, в основном, в зоне вечной мерзлоты.

Освоение минеральных ресурсов криолитозоны характеризуется целым рядом геологических, биологических и географических особенностей, требующих зачастую поиска нестандартных технологических, экологических и экономических решений.

Среди этих особенностей наиболее существенны следующие:

- расположение месторождений в регионах с неразвитой, инфраструктурой;

- разобщенность месторождений и удаленность их от основных транспортных магистралей.

- низкий потенциал самовосстановления биоты малопродуктивных и неустойчивых экосистем криолитозоны;

- суровый климат с длительным периодом отрицательных температур;

- отрицательная температура массива горных пород;

- высокая ценность добываемых руд.

Одной из важнейших проблем, имеющих сегодня определяющее значение, является неразрешимое противоречие между постоянно растущими потребностями общества в минерально-сырьевых ресурсах и нарастающей неспособностью геосферы обеспечить эти потребности без полного уничтожения естественной биоты. Применительно к вопросам формирования и развития природно-технических систем разработки конкретных месторождений это выражается в антагонистическом характере противоречия между составляющими этих систем, в которых все экологические ограничения определяются только законами развития природы, а возможности выполнения этих ограничений и требований рынка целиком определяются свойствами применяемых геотехнологий. Реальная перспектива смягчения и частичного разрешения этого противоречия связана с коренным изменением технологической базы развития минерально-сырьевого комплекса в интересах повышения эффективности разработки при сохранении природной среды на основе создания таких технологий освоения недр, у которых экологическая безопасность была бы свойством самой технологии, а не системой действий по устранению последствий использования этих технологий.

Решение этой проблемы основано на принципе создания равных возможностей для развития техно- и биосферы, который определен как стратегия коэволюции двух антагонистических систем. Методология преодоления противоречий между этими системами предусматривает одновременное развитие двух фундаментальных научных направлений исследований: изучение процессов техногенного нарушения биоты экосистем с целью определения технологических путей устранения или снижения характерных для каждого типа производства техногенных факторов;

- изучение реакции биоты экосистем на действие техногенных факторов с целью определения биологически обоснованного ограничения уровня каждого из них.

Оба эти направления имеют совершенно разные объекты исследования, но неразрывно связаны единством конечной цели, которую можно определить, как сохранение естественной биоты Земли в условиях технократической цивилизации.

Поэтому цель настоящей работы можно сформулировать, как использование температурного ресурса абиоты для экономически эффективного сохранения биоты путём восстановления в выработанном пространстве массива многолетней мерзлоты из отходов обогащения.

При этом объектом исследования становится процесс совершенствования природно-технических систем освоения жильных месторождений в криолитозоне, а предметом изучения - изменение геотехнологии в условиях повышения экологических требований.

Известные особенности температурного режима абиоты экосистем криолитозоны, а также определяющее влияние на состояние биоты хранилищ твердых отходов производства позволяют сформулировать научную идею настоящей работы, заключающуюся в использовании температурного ресурса абиоты для экономически эффективного сохранения биоты путём восстановления в выработанном пространстве массива многолетней мерзлоты из отходов обогащения.

Для достижения поставленной цели и реализации научной идеи необходимо решить следующие научные задачи:

- исследование структуры и особенностей развития природно-технических систем освоения жильных месторождений в криолитозоне;

- исследование особенностей техногенного воздействия горных предприятий на биоту экосистем криолитозоны и условий ее самовосстановления;

- обоснование требований к геотехнологии разработки жил с учетом экономических и экологических ограничений;

- исследование физических и технологических процессов воссоздания массива вечной мерзлоты из отходов обогащения;

- обоснование и создание высокоэффективной технологии и систем разработки жил в криолитозоне;

- оценка экологических и экономических последствий применения предлагаемых геотехнологических решений.

В работе использован комплексный метод исследований, включающий в себя: анализ и обобщение материалов литературных и фондовых источников, структурно-функциональный анализы и синтез, графоаналитический метод, методы теории размерности и математического моделирования, а также аналитическая обработка результатов натурных наблюдений.

Защищаемые научные положения

1. В природно-технических системах освоения рудных месторождений в криолитозоне устойчивость природной составляющей к техногенному воздействию определяется сохранением остаточной способности фитоценоза к самовосстановлению и оценивается относительной величиной изменения плотности эдификаторной синузии этого фитоценоза.

2. В малопродуктивных биосистемах криолитозоны, устойчивость которых в большей степени определяется функциональным, чем видовым разнообразием, интенсивность развития демутационных процессов определяется не абсолютным размером площади техногенного поражения биоты, а соотношением ее приведенного радиуса с длиной переноса семян видов-эдификаторов.

3. Замкнутый цикл обращения твердых отходов горно-обогатительного производства достигается путем восстановления, за счет использования общего температурного ресурса криолитозоны, в выработанном пространстве массива вечной мерзлоты, на основе геотехнологии функциональная структура которой определяется соотношением величины изменяющегося во времени климатического и постоянного геологического температурных ресурсов.

4. Выбор геотехнологии отработки крутопадающих жил в криолитозоне определяется морфологией рудных тел в направлении основных элементов залегания при соблюдении условий полного размещения в выработанном пространстве подготовленных твердых отходов горно-обогатительного производства.

Достоверность результатов исследований подтверждается соблюдением преемственности в отношении научных положений, обоснованных учеными-предшественниками и апробированных в процессе многолетнего применения в науке и практике; надежностью применяемых традиционных методов исследований; достоверностью и представительностью используемой в расчетах информации, апробацией научных результатов в широком кругу специалистов, успешным применением основных технологических решений на практике.

Научная новизна:

1. Выдвинута и разработана гипотеза об итерационном развитии демутационных процессов в зоне техногенного поражения биоты горными предприятиями.

2. Установлено, что скорость развития демутационных процессов определяется не абсолютной величиной площади техногенного поражения биоты, а соотношением приведенного радиуса этой зоны с длиной переноса семян эдификаторной группы растительных видов.

3. Теоретически и методически обоснованы принципы построения геотехнологии с замкнутым циклом обращения твердых отходов на основе использования структуры естественного температурного ресурса криолитозоны.

4. Установлены закономерности развития термодинамических процессов в закладочном массиве на стадиях применения переменного во времени климатического и постоянного геологического температурных ресурсов криолитозоны, и раскрыт механизм и установлены закономерности и условия использования климатического температурного ресурса для интенсификации термодинамических процессов, протекающих в закладочном массиве за счет использования геологического ресурса.

5. Доказано определяющее влияние показателей изменчивости рудных жил по линии падения и простирания на выбор систем разработки и технологии очистной выемки, с учетом последующего воссоздания в выработанном пространстве массива вечной мерзлоты.

В работе впервые:

- систематизированы особенности строения природно-технических систем освоения жильных месторождений в криолитозоне;

- выдвинута и разработана гипотеза об итерационном развитии демутационных процессов в зоне техногенного поражения биоты горными предприятиями;

- установлено, что скорость развития демутационных процессов определяется не абсолютной величиной площади техногенного поражения биоты, а соотношением приведенного радиуса этой зоны с длиной переноса семян эдификаторной группы растительных видов.

- теоретически и методически обоснованы принципы построения геотехнологии с замкнутым циклом обращения твердых отходов на основе использования структуры естественного температурного ресурса криолитозоны;

- установлены закономерности развития термодинамических процессов в закладочном массиве на стадиях применения переменного во времени климатического и постоянного геологического температурных ресурсов криолитозоны.

- раскрыт механизм и установлены закономерности и условия использования климатического температурного ресурса для интенсификации термодинамических процессов, протекающих в закладочном массиве за счет использования геологического ресурса;

- доказано определяющее влияние показателей изменчивости рудных жил по линии падения и простирания на выбор систем разработки и технологии очистной выемки, с учетом последующего воссоздания в выработанном пространстве массива вечной мерзлоты.

Научное значение полученных результатов состоит в раскрытии закономерностей взаимосвязанного развития дигрессивных и демутационных процессов в нарушенных горными работами экосистемах криолитозоны и в обосновании на этой основе криогенной геотехнологии эффективного и экологически безопасного освоения жильных месторождений.

Практическое значение диссертации состоит в создании типоразмерного ряда систем разработки с выемкой руды по падению или по простиранию, в конструкции которых учтены требования экологической безопасности в сочетании с экономической эффективностью их применения.

Результаты работы могут быть использованы:

- в практике научно-исследовательских и проектных институтов, связанных с проблемами освоения жильных месторождений в криолитозоне;

- в практике совершенствования технологических процессов на горнообогатительных предприятиях;

- в качестве методического обеспечения при организации учебного процесса по подготовке специалистов и магистров в области геотехнологии и геоэкологии.

Личный вклад автора состоит в выборе и научном обосновании направления и методов исследования, в теоретическом исследовании особенностей развития демутационных процессов в зонах техногенного поражения горных предприятий; в обосновании идеи дифференцированного использования летнего и зимнего температурного ресурса криолитозоны, а также в обосновании принципов построения геотехнологии в целом и отдельных ее элементов с учетом изменения во времени интенсивности тепловых потоков и изменения в пространстве модуля сложности отрабатываемых участков жил.

Все основные результаты, включенные в материал диссертации, получены лично автором и с достаточной полнотой отражены в публикациях.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований докладывались автором на международных и внутрироссийских научных конференциях и симпозиумах: «Экологобезопасные технологии освоения недр Байкальского региона» (Улан-Удэ, 2000), «Научные и практические аспекты добычи цветных, редких и благородных металлов» (Хабаровск, ИГД ДВО РАН, 2000), «Проблемы освоения георесурсов российского Дальнего Востока и стран АТР» (Владивосток, ДВГТУ, 2001), «Физические проблемы разрушения горных пород» (Абаза, 2003), VII Международная конференция - «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, МГТРУ, 2005), «Неделя горняка» (Москва,МГГУ, 2001-2006 гг.).

Публикации. Результаты исследований отражены в 7 опубликованных работах, в том числе 5 в рецензируемых изданиях входящих в список ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 143 страницах машинописного текста и состоит из введения, пяти глав и заключения. Содержит 34 рисунка, 13 таблиц, список литературы из 96 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Пьянников, Павел Валерьевич

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ V

1. Экологическая безопасность разработки жил в криолитозоне в наибольшей степени определяется возможностями организации замкнутого цикла обращения твёрдых отходов, эффективность которого, в свою очередь, зависит от показателя полноты использования объёма выработанного пространства для размещения отходов.

2. Количество «загрузочных окон» в подштрековом целике определяет полноту использования выработанного пространства для размещения отходов и ограничивается условиями устойчивости пород, углом падения жилы и её мощностью.

3. В геотехнологиях разработки жил, предусматривающих восстановление из твёрдых отходов массива вечной мерзлоты предпочтительна рудная подготовка очистных блоков с последующей выемкой рудных целиков.

4. Выбор технологии очистной выемки в каждом случае определяется соотношением модулей сложностей жилы по линии её падения и простирания.

5. Наибольшую технико-экономическую и экологическую эффективность имеют геотехнологии выемки жил прирезками по простиранию из вертикальных или горизонтальных буровых выработок с непрерывным наращиванием насыпного закладочного массива из замороженных брикетов.

6. Отставание закладочного массива от фронта очистной выемки определяется направлением и дальностью отброса руды взрывом.

7. Общая экономическая эффективность применения предлагаемой геотехнологии складывается из эффекта от применения высокопроизводительной технологии очистной выемки и из снижения экологического ущерба от размещения на земной поверхности отходов обогащения и селитебной инфраструктуры, а также от формирования в литосфере пустот, требующих рекультивации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, в результате выполненных исследований, решена задача повышения эффективности экологической безопасности разработки жильных месторождений в криолитозоне за счет использования природного температурного ресурса, имеющая существенное значение для развития подземного освоения недр в перспективных регионах Сибири и Дальнего Востока.

Научно обоснована геотехнология подземной разработки крутопадающих жил в криолитозоне, экономическая эффективность которой обеспечена путём изменения порядка очистной выемки и применения высокопроизводительного оборудования, а экологическая безопасность обеспечена снижением размеров площади техногенного разрушения биоты за счёт дифференцированного использования климатического и геологического температурных ресурсов для восстановления в выработанном пространстве массива вечной мерзлоты из твёрдых отходов горно-обогатительного производства, что имеет существенное значение для экономики страны в условиях реализации Экологической доктрины РФ.

При этом заслуживают внимания следующие научные и практические результаты:

1. Перспективное развитие минерально-сырьевого комплекса России (особенно его рудной отрасли) в значительной мере связано с освоением ресурсов криолитозоны, экосистемы которой характеризуются относительно низкими биопродуктивностью и устойчивостью, зависящими в основном от функционального, а не видового разнообразия.

2. Общее противоречие между техно- и биосферой может быть преодолено, если при создании природно-технических систем освоения рудных месторождений в криолитозоне функциональная структура технической составляющей детерминирована с особенностями развития демутационных процессов в природной составляющей.

3. Установлено, что, аналогично законам лесной пирологии, дигрессия биоты в зоне воздействия горного предприятия имеет форму одностадийного процесса с нарастающей во времени интенсивностью, а демутация развивается итерационно, с шагом, определяемым длиной переноса семян видов-эдификаторов фитоценоза.

4. Характер влияния площади полного поражения биоты при строительстве и эксплуатации горного предприятия (размер земельного отвода) определяется не абсолютным размером этой площади (БД а соотношением ее приведенного радиуса с длиной естественного переноса семян (1с) видов эдификаторной синузии. При 8П ^ тс!^ время самовосстановления фитоценоза определяется видовым составом эдификаторной синузии, биопродуктивностью видов и скоростью роста каждого из них. При 8П > к\1 время самовосстановления фитоценоза прямо пропорционально площади техногенного поражения.

5. Построена классификация первичных и вторичных техногенных факторов при подземном освоении жильных месторождений и показано, что определяющее экологическое значение имеют последствия накопления на поверхности твёрдых отходов и создания селитебной и транспортной инфраструктуры.

6. Уточнено содержание понятия и структуры температурного ресурса, включающего в себя переменную климатическую и постоянную геологическую составляющие.

7. Впервые озвучена идея по сохранению естественной биоты в зоне действия горных предприятий в криолитозоне за счёт восстановления в выработанном пространстве массива вечной мерзлоты.

8. Выдвинута и разработана гипотеза о том, что в природно-технических системах криолитозоны эффективность утилизации отходов горно-обогатительного производства определяется совместным использованием климатического и геологического температурных ресурсов.

9. Замкнутый цикл обращения твердого вещества литосферы при разработке жил в криолитозоне будет обеспечен, если объемы добычи руды в периоды использования климатического и геологического температурного ресурсов находятся в строго определенном соотношении, определяемом количеством воды в отходах и коэффициентом заполнения выработанного пространства в период использования климатического ресурса.

10. Показано, что время активного использования климатического температурного ресурса определяется из условия равенства времени замерзания закладочного брикета и рабочей смены. Продолжительность этого периода прямо пропорциональна среднезимней температуре воздуха и обратно пропорциональна диаметру брикетов и их начальной температуре.

11. Выявлен и изучен эффект аккумулирования энергии климатического температурного ресурса во вмещающих породах закладываемого замороженными брикетами выработанного пространства, позволяющий повысить эффективность использования геологического температурного ресурса для замораживания пульпы в межбрикетном пространстве.

12. Установлено, что экологическая безопасность разработки жил в криолитозоне в наибольшей степени определяется возможностями организации замкнутого цикла обращения твёрдых отходов, эффективность которого, в свою очередь, зависит от показателя полноты использования объёма выработанного пространства для размещения отходов.

13. Выбор технологии очистной выемки в каждом случае определяется соотношением модулей сложностей жилы по линии её падения и простирания. Наибольшую технико-экономическую и экологическую эффективность имеют геотехнологии выемки жил прирезками по простиранию из вертикальных или горизонтальных буровых выработок с непрерывным наращиванием насыпного закладочного массива из замороженных брикетов.

14. Общая экономическая эффективность применения предлагаемой геотехнологии складывается из эффекта от применения высокопроизводительной технологии очистной выемки и из снижения экологического ущерба от размещения на земной поверхности отходов обогащения и селитебной инфраструктуры, а также от формирования в литосфере пустот, требующих рекультивации.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Пьянников, Павел Валерьевич, Москва

1. Регшерс И. Ф. Природопользование. М.: Мысль, 1990. - 638 с.

2. Зональные типы биомов России: Антропогенные нарушения и естественные процессы восстановления экологического потенциала ландшафтов, под редакцией К. М. Петрова. -СПб: изд. СПб ГУ, 2003. 246 с.

3. Трубецкой КН., Галченко Ю.П., Бурцев Л. И. Экологические проблемы освоения недр при устойчивом развитии природы и общества. -М.: Научтехлитиздат, 2003. 260 с.

4. Агошков М.И. , Мухин М.Е., Назарчик А. Ф. и др. Системы разработки жильных месторождений.- М.: Госгортехиздат, 1960. 376 с.

5. Бронников Д.М., Каплунов Д.Р., Левин В.И. др. Развитие подземной разработки рудных месторождений в СССР. М.: ИПКОН АН СССР, 1984. - 125 с.

6. Рафиенко Д.И., Назарчик А.Ф., Галченко Ю.П., Мамсуров Л.А. Совершенствование разработки жильных месторождений.- М.: Наука, 1988. -215 с.

7. Ляхов А.И. Технология разработки жильных месторождений.- М.: Недра, 1984. 240 с.

8. Ергалиев А.Е., Бектыбаев А.Д., Бровко А.Г. и др. — Технология добычи руды из жильных месторождений Казахстана. Алма-Ата: Наука, 1985.-238 с.

9. Назарчик А.Ф., Фрейдин A.M., Емельянов В.И. и др. Исследование неравномерности оруденения жильных месторождений и его влияние на эффективность разработки. Магадан: 1976. - 143 с.З

10. Курсакин Г.А. Технология разработки золоторудных жильных месторождений. Владивосток: Дальнаука, 2002. - 237 с.

11. Бусырев В.М., Иванов П.С., Шевелев JI.B. Методы подземной разработки слюдяных месторождений Кольского полуострова. JL: Наука, 1972. -100 с.

12. Галченко Ю.П. Расширение сырьевой базы жильных месторождений при применении монорельсовых комплексов.// Научно-технические проблемы комплексного освоения недр. — М.: ИПКОН АН СССР, 1987. С.15-19.

13. Бабакин В.П. Лед в качестве материала для закладки выработанного пространства. М.: Изд. АН СССР, 1958, вып. IV, 157 с.

14. Вялое С.С., Докучаев В.В., Шенкман Д.Р. Подземные льды и сильно льдистые грунты, как основания сооружений. Л.: Стройиздат, 1976. - 258 с.

15. Дядъкин Ю.Д. Основы горной теплофизики для шахт и рудников Севера. М.: Недра, 1968. - 256 с.

16. Елъчанинов Е.А. Проблемы управления термодинамическими процессами в зоне влияния горных работ. М.: Наука, 1989. - 239 с.

17. Емельянов В.И., Мамаев Ю.А., Кудлай ЕД. Подземная разработка многолетнемерзлых россыпей. М.: Недра, 1982. - 240 с.

18. Михайлов Ю.В., Бовенко В.В. Оптимизация формирования ледяной закладки при подземной разработке месторождений в криолитозоне.//ФТПРПИ, «Наука» Новосибирск, 1988, №3, С. 89-93.

19. Бакакин В.П. Основы ведения горных работ в условиях вечной мерзлоты. М.: Металлургиздат, 1958.-231 с.

20. Фидря С.Е. Повышение эффективности разработки наклонных залежей в недостаточно устойчивых породах.//Цветная металлургия, 1985, №7, С.10-13.

21. Кривошеее И.С., Жук В.Г., Погребной В.Л. и др. О возможности применения льдопородной закладки при разработке крутопадающих рудных тел в условиях вечной мерзлоты.//Колыма, 1977, №5, С.12-15.

22. Красных С.Н. Опытно-промышленные испытания намораживаемой породной закладки выработанного пространства.//Цветная металлургия, 1985, №7, С.13-15.

23. Дядъкин Ю.Д., Паненков Ю.И., Симонов КС. и др. Отработка междукамерного целика с предварительным замораживанием закладки.//Горный журнал, 1977, №8, С.32-34.

24. Хоберстофес Г\ Норен Т. Использование льда в качестве закладочного материала, Патент Швеции, кл. E21F, 15/00 № 412623, 1978.

25. Фангель X. Закладка выработанного пространства льдом. // Разработка месторождений с закладкой. М.: Мир, 1987. - С.486-504.

26. Агошков М.И., Борисов С.С., Боярский В.А. Разработка рудных и нерудных месторождений. М.: Недра, 1970. - 455 с.

27. Лисовский Г.Д., Лобанов Д.П., Назаркин В.П. Кучное и подземное выщелачивание металлов. М.: , Недра, 1982. - 220 с.

28. Кроткое В.В., Лобанов Д.П., Нестеров Ю.В., Абдулъманов ИТ. Горно-химическая технология добычи урана. — М.: Геос, 2001. — 365 с.

29. Свержев Ю.М., Логофет Д.О. Устойчивость биологических сообществ. М.: Наука, 1978. - 360 с.

30. Небел В. Наука об окружающей среде. М.: Мир, 1993. - 420 с.

31. Holling C.S. Resielence and stability of ecological system. Ann.Rev.Ecol. And sist., 1973, №4, p. 3-23.

32. Сукачев B.H. Основные понятия биоценологии. JI.: Наука, 1964. —574 с.

33. Фуряев В.В. Роль пожаров в процессе лесообразования. — Новосибирск: Наука, 1996. 252 с.

34. Ничипорович Л.А. О путях повышения продуктивности фотосинтеза растений в посевах // Сб. Фотосинтез и вопросы продуктивности растений. — М.: изд. АН СССР, 1963. С 27-35.

35. Общие теоретические проблемы биологической продуктивности. Л.: Наука, 1969. 189 с.

36. Галченко Ю.П., Пъянников П.В. Исследование условий самовосстановления экосистем, нарушенных горными предприятиями //Экологические системы и приборы, №2, 2006. С. 21-24.

37. Галченко Ю.П. Изменение состояния элементов экосистем при подземной разработке жильных месторождений.//Экологические системы и приборы, 2001, №10, С 26-31.

38. Галченко Ю.П. Анализ техногенных смен ландшафтов при подземном освоении рудных месторождений.//Экологические системы и приборы, 2000, №11, С. 19-24.

39. Пъянников П.В. Некоторые особенности развития демутационных ■процессов при освоении жильных месторождений в криолитозоне. // Наука и •новейшие технологии при разведке и разработке месторождений полезных ископаемых. М.:, РГГРУ, 2006. С.85-86.

40. Экология. Учебник/ изд. 2-е перераб. и доп./ В.Н. Большаков, В.В. Качан, В.Г. Коберниченко и др./Под редакцией Г.В. Тягунова и Ю.Г. Ярошенко. М.: Логос, 2005. - 504 с.

41. Назарчик А.Ф. Разубоживание руды при разработке жильных месторождений. М.:, Наука, 1960. - 270 с.

42. Михайлов Ю.В., Емельянов В.И., Галченко Ю.П. Подземная разработка месторождений полезных ископаемых в экосистемах криолитозоны. М.: Изд. МГОУ, 2004. - 192 с.

43. Василъчук Ю.К., Котляков В.М. Основы геокриологии и гляциологии. М.: Изд. МГУ, 2000. - 616 с.

44. Ковкова М.Т. Современное фильтровальное оборудование// Горный журнал. -1997. №4. С.53-55.

45. Попов М.А., Румянцев И.С. Природоохранные сооружения, М.: Колос С, 2005.-520 с.

46. Бесцементная закладка на горных предприятиях. М.: ЦНИИ экон. и информации, 1992. 95 с.

47. Лыков A.B. Тепломассообмен. М.: Энергия, 1972. - 350 с.

48. Дзидзигури А.А., Дуганов Г.В., Ониани Ш.И. Теплофизические характеристики горных пород и методы их определения. Тб.: Мицниереба, 1966.-230 с.

49. Теплофизический справочник, под ред. В.Н. Юренева и П.Д.

50. Лебедева в 2 х томах, Т 2, М.: Энергия, 1976. - 896 с.

51. Васильев В.И., Максимов A.M., Петров Е.Е., Цыкин Г.Г. Тепломассоперенос в промерзающих и протаивающих грунтах. М.: Наука, 1997. - 224 с.

52. Тепловые расчеты процессов и устройств в горном деле Севера.: Сб. научных трудов, Якутск, Изд. ЯФ СО АН СССР, 1987. 88 с.

53. Воропаев А.Ф. Теория теплообмена рудничного воздуха и горных пород в глубоких шахтах. М.: Недра, 1965. - 250 с.

54. Конвективный теплообмен // Теплотехнический справочник, под ред. В.Н. Юренева и П.Д. Лебедева, Т 2, М.: Энергия, 1976. - 896 с.

55. Смолдырев А.Е. Технология и механизация закладочных работ. -М.: Недра, 1974.-527 с.

56. Едилъбаев А.И., Музгина B.C. Комплексное использование твердых отходов и местных материалов. Алматы, 2002. 145 с.

57. Проблемы рационального освоения золотороссыпных месторождений Дальнего Востока J/Мамаев Ю.А., Ван-Ван Е, Сорокин А.П. и др.! Владивосток: Дальнаука, 2002. - 200 с.

58. Толпаев В.А., Цицкун А.Е. Уравнения ламинарной фильтрации жидкости в крупноячеистых средах.// Сб. трудов Сев. Кав. ГТУ, сер. «Естественнонаучная», №1(7), Ставрополь, 2004. С 58-65.

59. Галченко Ю.П., Кравченко В.Т., Сабянин Г.В. Исследование процессов кольматации при движении пульпы через отбитую горную массу. ГИАБ, МГТУ, 2003, №10, С 133-135.

60. Полубояринова-Кочина П.Я. Теория движения грунтовых вод. М.: Наука, 1977. - 537 с.

61. Агошков М.И. Разработка рудных месторождений М.:, Металлургиздат, 1954. - 614 с.

62. Кахаров А.К., Назарчик А.Ф., Галченко Ю.П. Безопасные системы и технология разработки жильных месторождений.//Безопасность труда в промышленности, №11, 1982. С. 50-54.

63. Галченко Ю.П, Вклад М.И. Агошкова в решение проблем освоения жильных месторождений. // Сб. Развитие идей М.И. Агошкова в области комплексного освоения месторождений полезных ископаемых. М.: ИПКОН РАИ, 2005. С 22-28.

64. Ковриго А.Ф., Мусин К.А., Шетенов К.А. Очистные работы на рудниках насущные проблемы. «Безопасность труда в промышленности», 1973, №3, С. 10-13.

65. Назарчик А.Ф., Галченко Ю.П. Новая технология разработки жильных месторождений и методические указания по ее применению. М.: ИПКОН АН СССР, 1981. - 108 с.

66. Бронников Д.М., Назарчик А.Ф., Галченко Ю.П. и др. Создание нового горного оборудования и эффективной технологии разработки жильных месторождений.//Горный журнал, 1982, №6, С. 61-64.

67. Назарчик А.Ф., Фрейдин A.M., Емельянов В.И. и др. Исследование неравномерности промышленного оруденения жильных месторождений и его влияния на эффективность разработки. — Магадан, ВНИИ-1, 1976. — 142 е.,

68. Галченко Ю.П. Оценка рудоносности эксплуатационных блоков при проектировании очистных работ на жильных месторождениях // Сб. Исследование показателей и параметров эффективности разработки жильных месторождений.-М.: ИПКОН РАН, 1983. С.22-37.

69. Назарчик А.Ф., Галченко Ю.П., Дузъ С.Я. Новые направления в развитии технологии разработки жильных месторождений //Сб. Повышение эффективности технологии и качества продукции цветной металлургии. -Красноярск, 1984. С. 52-63.

70. Назарчик А.Ф., Галченко Ю.П., Кахаров А.П. и др. Проблемы разработки жильных месторождений Узбекистана. Ташкент, Изд. АНУзССР, 1985.-240 с.

71. Галченко Ю.П., Галченко С.П., Гаспарян С.С. Оперативное определение контуров рудных тел при выемке жил сложного строения с применением монорельсовых очистных комплексов./ Горный журнал, 1986, №2, С. 39-42.

72. Рафиенко Д.И. Системы с магазинированием руды при разработке жильных месторождений. М.: Недра, 1967. - 190 с.

73. Кузнецов C.B., Одинцев В.Н., Слоним М.Э., Трофимов В.А. Методология расчета горного давления. М.: Наука, 1981 — 104 с.

74. Михайлов Ю.В. Подземная разработка рудных месторождений в сложных горно-геологических условиях: учебное пособие для студентов высших учебных заведений. М. Издательский центр «Академия», 2008.320 с.

75. Чесноков Н.И., Петросов A.A., Шевченко Б.Ф. Системы разработки месторождений урана с твердеющей закладкой. М.: Атомиздат, 1975. - 295 с.

76. Попов Г.Н. Разработка месторождений полезных ископаемых М.: Госгортехиздат, 1963. - 588 с.

77. Галченко Ю.П. Оценка сложности формы рудных тел при разработке жильных месторождений//Сб. Совершенствование методов управления извлечением запасов из нефти при разработке рудных месторождений. М.: ИПКОН АН СССР, 1981. - С. 69-77.

78. Галченко Ю.П., Сайфутдинов Ю.Н., Дадакузиев Б.М. Влияние глубины скважин на показатели добычи руды при выемке жил: -Новосибирск, ФТПРПИ, № 2, 1985. С. 78-80.

79. Галченко Ю.П., Дружков В.Г., Филонов В.А., Гришин Е.Г. Технология разработки жильных месторождений с применением монорельсовых проходческо-очистных комплексов. М.: ИПКОН РАН, 1992. - 120 с.

80. Галченко Ю.П. Расширение сырьевой базы жильных месторождений при применении монорельсовых комплексов.//Сб. Научно-технические проблемы комплексного освоения недр. М.: ИПКОН АН СССР, 1987. - С.15-29.

81. Сердцев И.И., Галченко Ю.П. Область применения технологии разработки крутопадающих жил монорельсовыми комплексами. Горный журнал, 1988. №8. - С.43-46.

82. Назарчик А.Ф., Олейников И.А., Богданов Г.И. Разработка жильных месторождений. М.: Недра, 1977. - 239 с.

83. Курсакин Г.А. Технология разработки золоторудных жильных месторождений.//Владивосток.: Дальнаука, 2002. 240 с.

84. Галченко Ю.П., Сабянин Г.В. Экотехнология разработки крутопадающих жил со сложной морфологией.//3олотодобывающая промышленность, 2006. №2(14). С.38-40.

85. Сабянин Г.В. Методологические основы построения экогеотехнологий.//ГИАБ 2006. №5. МГГУ, - С.362-366.

86. Галченко Ю.П., Петросян М.И., Закалинский В.М. Совершенствование отбойки руды скважинами в условиях жильных месторождений.//ФТПРПИ, 1986. №5. С. 63-68.

87. Викторов С.Д., Галченко Ю.П., Закалинский В.М. Параллельно-сближенные заряды, как средство увеличения полезных форм работы взрыва.//Горный журнал. 2001. № 12. - С.38-42.

88. Галченко Ю.П., Сабянин Г.В. Высокоэффективная технология разработки крутопадающих жильных месторождений золота.// Золотодобывающая промышленность, 2005, № 5(11), С.18-23.

89. Бронников Д.М., Бурцев Л.И., Медведев Г.Н. Взрывная доставка руды в шахтах. М.: Недра, 1972. - 102 с.

90. Докучаев М.М., Родионов В.Н., Ромашов А.Н. Взрыв на выброс. -М.: Изд. АН СССР, 1963. 205 с.

91. Покровский Г.И. Взрыв. М.: Недра, 1967. - 350 с.

92. Галченко Ю.П., Левчик A.C. Математическое моделирование отбойки руды в зажатой среде при выемке жил.//Сб. Рациональное освоение месторождений твердых полезных ископаемых. М. ИПКОН АН СССР, 1989. С. 57-67.

93. Методика определения предотвращенного экологического ущерба. М. Министерство Природных Ресурсов.

94. Славиковская Ю.О., Власов В.И. Оценка экологического ущерба, обусловленного воздействием на недра. Материалы Уральской горнопромышленной декады. Екатеринбург; 2006; с. 191-195.