Тенденции развития технологий горных работ на угольных и рудных карьерах

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Тенденции развития технологий горных работ на угольных и рудных карьерах

09.12.2019

Развитие открытых горных работ идет по пути увеличения глубины карьеров. Средняя глубина угольных разрезов Кузбасса составляет 150 м и в ближайшие годы отдельные разрезы превысят глубину 300-350 м. Более одной трети железной руды добывается с глубины более 200 м. Более 50% карьеров цветной металлургии имеют проектную глубину свыше 200 м. Проектная глубина ряда рудных карьеров составляет 500-700 и более метров.

Разработка карьеров большой глубины ставит перед теорией и практикой открытой разработки месторождений полезных ископаемых ряд сложных проблем, от решения которых зависит экономическая эффективность открытых горных работ. Наиболее важными и сложными из таких проблем является стабилизация режима горных работ во времени, вскрытие глубоких горизонтов карьеров, выбор технологии ведения горных работ и транспортного обеспечения глубоких горизонтов карьера.

Регулирование режима горных работ с целью уменьшения пиковых объемов вскрышных работ и более равномерного распределения во времени затрат на добычу полезного ископаемого ведется за счет правильного выбора направления углубки карьера, определенной последовательности вовлечения в разработку отдельных участков месторождения, этапной разработки карьерных полей, ведения горных работ с консервацией отдельных участков рабочей зоны карьера, в том числе формирования временных целиков, изменения параметров элементов систем разработки и технологии ведения горных работ. Подробно методы регулирования режима горных работ ранее. Они получили достаточную теоретическую проработку и с успехом используются на ряде крупных карьеров.

Возрастание глубины открытой разработки влечет за собой повышение объемов выемки вскрышных пород и увеличение расстояний перемещения горной массы. Наиболее эффективный и часто используемый при разработке верхних горизонтов крупных карьеров железнодорожный транспорт при увеличении глубины карьеров исчерпывает свои возможности в связи с усложнением трассы капитальных траншей и другими факторами. Встает вопрос об изменении вскрытия нижних горизонтов карьера, переходе на новые транспортные схемы, другие технологии ведения горных работ. В ряде случаев решение может быть получено за счет расширения возможности эффективного использования железнодорожного транспорта на глубоких горизонтах карьера при заведении на них железнодорожных путей без усложнения формы трассы. Такое глубокое заведение железнодорожных путей достигается за счет использования всей длины карьерного поля и объединения смежных карьерных полей для формирования трассы с минимальными изменениями направления движения локомотивосоставов или использования законтурных железнодорожных тоннелей, как показано ранее. В других случаях более рациональным является переход на комбинированный транспорт.

Комбинация автомобильного и железнодорожного транспорта на глубоких карьерах позволяет использовать в нижней части рабочей зоны автосамосвалы для доставки горной массы к перегрузочным пунктамуВскрытие нижней части рабочей зоны осуществляется системой автомобильных съездов, чаще временных. Эффективность такой комбинации зависит от расстояния перемещения пород автотранспортом. При расстоянии транспортирования более 2 км транспортные расходы резко возрастают, и при дальнейшем увеличении глубины карьера приходится искать другие решения, так как перенос перегрузочных пунктов на более глубокие горизонты в большинстве случаев бывает невозможен.

При комбинации автомобильного и конвейерного транспорта возможен перенос перегрузочных пунктов вслед за понижением горных работ, что позволяет поддерживать расстояние перевозки горной массы автотранспортом на оптимальном уровне в пределах 1,5-2 км на всех этапах разработки. Вскрытие рабочих горизонтов глубоких карьеров при циклично-поточной технологии горных работ производится с использованием крутых траншей или наклонными стволами.

Выбор технологии разработки и вскрытия рабочих горизонтов глубоких карьеров является сложной и ответственной инженерной задачей, от рационального решения которой зависят экономические показатели и устойчивость работы карьера на значительный период времени. Переход на новую технологию и изменение схемы вскрытия, как правило, требует проведения реконструкции карьера, затраты на которую весьма высоки. Поэтому такого рода решения тщательно прорабатываются с привлечением проектных и научных организаций. Окончательное решение принимается на основе технико-экономического сравнения вариантов. Реконструкция проводится на основе специально выполняемого проекта.

Современные технологии открытых горных работ должны основываться на принципах ресурсосбережения, природосбережения и малоотходности. Эти принципы взаимосвязаны, тесно переплетены и должны определять направленность технологии. Проблемы создания современных технологий на этих принципах носят комплексный характер и должны решаться совокупно как на уровне ведения гор-ныхработ, так и переработки полезных ископаемых.

Ресурсосберегающие технологии при ведении открытых горных работ должны базироваться на комплексном освоении недр, то есть быть направлены на полное и экономичное освоение всех видов ресурсов земных недр. Основными видами ресурсов недр являются: минеральные и водные ресурсы недр, а также выработанное пространство карьеров. В свою очередь минеральные ресурсы подразделяются на природные ресурсы, представляющие месторождения полезных ископаемых и отходы добычи и переработки полезных ископаемых. Отходами добычи полезных ископаемых являются забалансовые, разубоженные, окисленные и другие виды минерального сырья, содержащие полезные компоненты, но не используемые в настоящее время из-за несовершенства технологии переработки или экономической нецелесообразности, а также вскрышные породы. Отходы переработки — хвосты обогащения, отвалы промывочных установок при разработке россыпей, золо- и шлакоотвалы на ГРЭС, отвалы металлургических шлаков и пр.

Ресурсосберегающие технологии должны обеспечивать наиболее полное извлечение балансовых запасов полезных ископаемых с минимальным разубоживанием, а также попутную добычу всего ценного минерального сырья, которое может быть использовано в настоящее время или в будущем. При невозможности полного извлечения минеральных ресурсов из недр возможно применение нетрадиционных технологий, таких как выщелачивание, подземная газификация угля и др.

За счет подземной газификации угля возможна доработка отдельных угольных пластов, разработка которых обычными методами нерациональна по техническим или экономическим причинам. В частности, по такой технологии могут быть отработаны некондиционные угольные пласть. Способ подземной газификации основан на физико-химическом превращении угля в горючие газы с помощью свободного или связанного кислорода на месте залегания пласта. При доработке запасов угля при открытой разработке более перспективной является скважинная газификация углей. Для ее осуществления с поверхности бурят вертикальные или наклонные скважины для подачи воздушного или парокислородно-воздушного дутья и отвода образующегося газа. В угольном пласте между скважинами создают реакционные каналы, в которых уголь взаимодействует с потоками дутья и газа. Теплота сгорания и состав получаемого газа зависит от вида дутья, качества угля, а также от геологических условий. По данной технологии возможна газификация и горючих сланцев. В настоящее время газификация углей на территории СНГ ведется в Кузбассе (Южно-Абинская станция) и в Ангрене (Узбекистан). Подземная газификация угля позволяет сохранить плодородный слой в пределах горного отвода и не приводит к загрязнению воздушного бассейна.

Для более полного освоения минеральных ресурсов недр возможно использование подземного выщелачивания. Методом подземного выщелачивания можно разрабатывать как месторождения, так и отдельные его части, например участки с высоким коэффициентом вскрыши, низким содержанием полезного компонента, окисленные руды. Сущность выщелачивания заключается в переводе в водный раствор одного или нескольких компонентов твердого материала с последующей переработкой металлосодержащих продукционных растворов. В настоящее время широко применяется выщелачивание меди и урана из окисленных и некондиционных руд. Ведутся экспериментальные работы по выщелачиванию для добычи титана, ванадия, марганца, железа, кобальта, никеля, цинка, селена, молибдена, золота и других металлов.

При скважинной системе выщелачивания возможно разрабатывать месторождения до глубины 500 м. Скважины бурят на расстоянии 15-50 м. Система скважин имеет чередующиеся ряды закачных и откачных скважин или ячеистую структуру. Процесс выщелачивания осуществляют напорным фильтрационным потоком, движущимся по рудоносному водопроницаемому пласту от закачных скважин к откачным. При выщелачивании соблюдается баланс закачиваемых и откачиваемых растворов, что обеспечивает локализацию зон циркуляции растворов и уменьшает потери реагентов. Для активизации процесса выщелачивания применяют поверхностно-активные вещества, повышение напора и температуры растворов, реверсирование потока, вакуумирование. Повышение водопроницаемости пласта достигается за счет гидроразрыва пород, проведения взрывов на встряхивание и другими методами. Выщелачивание производится под воздействием различных химических растворов, а также благодаря воздействию определенных видов бактерий (бактериальное выщелачивание).

Извлечение полезных компонентов из добытых бедных и окисленных руд возможно при кучном выщелачивании. Сущность способа заключается в укладке материала в штабели (отвалы) и просачивании разбрызгиваемых по поверхности растворов через неподвижный слой твердого материала. Этот способ является единственным экономически оправданным способом переработки бедного минерального сырья. Он нашел широкое применение для извлечения меди и урана из некондиционных руд. В зарубежных странах из отвалов окисленных медных руд и хвостов обогащения методом выщелачивания производится до 20% меди. В США таким способом получают 30% меди. Применение кучного выщелачивания позволяет вести рентабельную разработку месторождений с низким содержанием золота в Чили, Папуа-Новой Гвинее, Мексике, Саудовской Аравии, Судане, на Филиппинах. В США кучным выщелачиванием получают более трети добычи золота. В России введена в промышленную эксплуатацию установка кучного выщелачивания золота из окисленных руд на Васильковском месторождении. Намечено строительство аналогичных установок на Покровском и Майском месторождениях.

Комплексное освоение недр предполагает попутную добычу всего ценного минерального сырья при разработке месторождения полезного ископаемого. Таким образом, при разработке основного полезного ископаемого из недр в большинстве случаев извлекают попутные полезные ископаемые. Так, во вскрышных породах Ангренского угольного месторождения в больших объемах содержатся каолины, кварцевые пески, опоки, известняки, лессы, галечники, являющиеся сами по себе ценным минеральным сырьем. Благодаря попутной добыче это минеральное сырье может быть получено с меньшими затратами, чем при разработке специальных месторождений. Для сохранения попутных полезных ископаемых технология горных работ должна обеспечивать раздельную (а в некоторых случаях и селективную) выемку, организацию обособленных грузопотоков от забоев в места складирования попутных полезных ископаемых.

Часть попутных полезных ископаемых может быть реализована непосредственно после добычи. Однако при разработке ряда месторождений объем добычи попутных полезных ископаемых может превышать настоящие потребности. В этом случае за счет избытка попутных полезных ископаемых должны создаваться техногенные месторождения. Техногенные месторождения создают также за счет складирования минеральных веществ, являющихся отходами горного обогатительного, металлургического и других производств, пригодных по количеству и качеству для промышленного использования (извлечения полезных компонентов, получения топлива, стройматериалов и др.).

Формирование техногенных месторождений заключается в определенной технологии складирования попутных полезных ископаемых и отходов, чтобы обеспечить условия для их хранения и последующей разработки. Для повышения ценности техногенных месторождений требуется раздельное складирование по типам пород, что сопряжено с определенными затратами. Создание и последующая разработка техногенных месторождений в результате имеет высокий эффект. По подсчетам за счет разработки техногенных месторождений возможно уменьшение объема добычи горной массы на 20-25 % (главным образом за счет производства стройматериалов), снизить затраты на добычу основного полезного ископаемого на 10-15% при общем оздоровлении экологической обстановки в районе горного предприятия.

При комплексном освоении недр возможно и целесообразно в ряде случаев осуществлять открытую разработку месторождений, ранее отработанных подземными горными работами. Так, на медноникелевом месторождении «Норильск-1» придонная часть интрузии, сложенная жильными рудами, была отработана подземными рудниками Таймырский и Заполярный. Основная масса вкрапленных руд месторождения была доработана карьером Медвежий ручей. На Никитовском ртутном месторождении доработка запасов руды осуществляется тремя карьерами. На Джезказганском месторождении медистых песчаников при подземном способе разработки потери от оставления руды в целиках, потолочинах, кровле и почве залежи составили 27%. Кроме того, оставлены неактивные запасы руды в разделительных и охранных целиках, подработанных залежах. В настоящее время для поддержания сырьевой базы комбината рассматривается вопрос повторной разработки месторождения открытым способом. Повторая разработка месторождений полезных ископаемых открытым способом, ранее разработанных подземными горными работами, способствует комплексному освоению недр, является резервом поддержания сырьевой базы предприятия и часто экономически оправдана.

Особенности технологии повторной открытой разработки месторождений полезных ископаемых связаны с наличием в карьерном поле подземных пустот, образовавшихся при подземных горных работах. Для обеспечения безопасности технология открытых горных работ должна предусматривать заблаговременную, до подхода горных работ, ликвидацию этих пустот. Чаще всего погашение пустот осуществляется взрывным способом при разбуривании из карьера потолочин камер и целиков.

Современные технологии открытых горных работ должны оказывать минимальное отрицательное влияние на окружающую природную среду. Это достигается за счет охраны атмосферы, охраны и рационального использования земельных и водных ресурсов при производстве открытых горных работ. Охрана атмосферы достигается при принятии общепланировочных решений за счет правильного размещения в пределах земельного отвода, с учетом направления господствующих ветров, таких объектов как карьер, отвалы, промплощадка и других, уменьшения выбросов в атмосферу пыли, вредных газов.

Рациональное землепользование достигается при использовании специальных землесберегающих технологий открытых горных работ, позволяющих разместить в выработанном пространстве карьера максимальные объемы вскрышных пород. При разработке горизонтальных и пологих залежей технология горных работ с размещением вскрыши в выработанном пространстве широко используется на карьерах. При наклонных и крутых залежах большинство вскрышных пород в настоящее время складируется во внешних отвалах, которые занимают значительные территории. Землесберегающие технологии позволяют при разработке таких месторождений разместить в выработанном прорстранстве большую часть вскрышных пород. При наклонных и крутых залежах и вытянутых в плане карьерных полях внутреннее отвалообразование возможно при поперечной системе разработки, разработке блоками. При разработке месторождений группой карьеров возможно за счет рациональной последовательности ведения горных работ размещать вскрышные породы в выработанном пространстве карьеров первой очереди, после отработки запасов полезного ископаемого. Более подробно землесберегающие технологии открытых горных работ рассмотрены ниже.

При современной технологии добычи и использования полезных ископаемых только около 5 % от всего объема извлекаемых из недр горных пород используется в виде продукции производства, а остальные являются отходами. В этих условиях малоотходные технологии открытых горных работ являются весьма актуальными и способствуют повышению эффективности производства, увеличению выпуска продукции и снижению экологической нагрузки на окружаующую среду. Сущность малоотходной технологии заключается в максимально возможном извлечении из сырья всех ценных компонентов, переработке отходов производства во вторичные материальные ресурсы, минимальное выделение отходов и максимальное их захоронение.

Большое значение для малоотходной технологии открытых горных работ имеет использование такого ресурса недр, как выработанное пространство карьеров. Выработанное пространство карьеров должно максимально использоваться для складирования в нем пород вскрыши и технологии открытых горных работ, направленные на это, рассмотрены выше. Кроме того, выработанное пространство карьеров может быть использовано для надежного захоронения отходов других производств, в том числе и токсичных, без ущерба для окружающей среды. Возможно складирование в выработанном пространстве карьеров отходов от переработки полезных ископаемых.

В этом разделе рассмотрены некоторые направления совершенствования технологии открытых горных работ. Часть из этих направлений разработаны и вошли в практику, другие находятся на стадии освоения. Часть изложенных направлений совершенствования технологии находится в стадии разработки и не прошли еще апробации на горных предприятиях.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: