Обоснование параметров комбинированной разработки месторождений медно-колчеданных руд с утилизацией отходов обогащения в выработанном пространстве карьера

Рациональное использование недр основывается на повышении эффективности комплексной добычи полезных компонентов и утилизации отходов горно-обогатительного производств. Так, для производства 1 тонны меди необходимо переработать до 100 т горной массы. Полученные отходы являются техногенным сырьем и складируются чаще на земной поверхности в техногенных образованиях различного вида.

Обзор опыта использования техногенного сырья свидетельствует, что лишь при разработке только 15% рудных месторождений проектами предусмотрено какое-либо использование отходов добычи и переработки руд. При этом в стратегии развития региональной сырьевой базы утилизация техногенного сырья все более утверждается в качестве важного компонента минерально-сырьевого баланса и является неотъемлемой составляющей инновационных технологий приоритетного направления Рациональное природопользование. До настоящего времени формирование техногенных образований осуществляется на основе традиционных требований и бессистемного складирования отходов в хвостохранилищах, занимающих только на Урале более 503 га земель при ежегодном приросте объемов техногенного сырья свыше 15 млн.т.

Комплексный подход к освоению недр и использованию техногенных георесурсов включает целенаправленное формирование в выработанном пространстве карьеров и шахт из отходов добычи и переработки руд техногенных месторождений с заданными структурными и вещественными характеристиками с обеспечением возможности эффективной эксплуатации техногенного сырья в ближайшей, либо отдаленной перспективе.

Поэтому обоснование эффективных технологий утилизации отходов переработки медно-колчеданных руд в выработанном пространстве карьеров при комбинированной геотехнологии представляет весьма актуальную научно-практическую задачу.

Целыо работы является повышение эффективности комплексного освоения месторождений медно-колчеданных руд на базе проектного обоснования параметров комбинированной геотехнологии с утилизацией отходов обогащения в выработанном пространстве карьеров. 4.

Идея работы заключается в повышении эффективности освоения рудных месторождений комбинированной геотехнологией за счет учета при проектном обосновании предельной глубины карьера специфики и параметров технологии утилизации в его выработанном пространстве отходов обогащения руд с установленными характеристиками формируемого техногенного массива.

Задачи исследований:

— анализ и обобщение опыта и методик расчета параметров комбинированной геотехнологии с утилизацией техногенного сырья, исследование особенностей вещественного состава и структурных характеристик техногенных образований, сопутствующих разработке месторождений медно-колчеданных руд;

— факторный анализ инновационных технологий утилизации отходов в выработанном пространстве рудников и обоснование условий формирования техногенных массивов с локальным распределением качества сырья;

— исследование закономерностей формирования геометрических параметров техногенных образований в зависимости от физико-механических характеристик техногенного массива;

— учет перспективы складирования в карьер отходов переработки руд подземного рудника при обосновании рациональной глубины перехода с открытых горных работ к подземнымразработка методики обоснования параметров комбинированной геотехнологии с утилизацией в выработанном пространстве карьера техногенного сырья с различными характеристиками вещественного состава;

— разработка технологических рекомендаций по утилизации отходов обогащения руд в выработанном пространстве Учалинского карьера.

Для решения поставленных задач в качестве объекта исследований выбрана комбинированная геотехнология с утилизацией техногенного сырья в выработанном пространстве карьера (ВПК) при комплексном освоении медно-колчеданных месторождений. Методы исследований.

В работе использован комплексный метод исследований, включающий анализ вещественного состава и структурных характеристик отходов 5 обогащения медно-колчеданных руд, физическое и экономико-математическое моделирование, статистическую обработку результатов исследований и технико-экономический анализ.

В качестве методологической основы исследований в работе заложен принцип комплексного освоения участка недр в полном геотехнологическом цикле, предусматривающем складирование отходов обогащения руд в выработанном пространстве карьера для обеспечения возможности последующего вовлечения техногенного сырья в эффективную промышленную эксплуатацию.

Положения, выносимые на защиту:

1.При комбинированной разработке рудных месторождений складирование в выработанном пространстве карьера отходов обогащения руд подземной добычи ведет к снижению проектной глубины карьера.

2.Для месторождений медно-колчеданных руд выдержанной мощности, отрабатываемых системой с твердеющей закладкой, учет перспективы складирования хвостов обогащения руд в ВПК уменьшает его глубину на малых месторождениях — на 90−110 м, средних — на 50−70м, крупных — на 20−30м при росте совокупного дохода от освоения месторождения на 12 — 20%.

3.Выбор направления использования техногенного сырья и технологий его подготовки к утилизации, транспортирования и складирования в выработанное пространство карьера зависит от стабильности, либо изменчивости вещественного состава отходов обогащения руд и их ресурсной ценности.

4.Утилизация техногенного сырья в выработанном пространстве карьера эффективна при его обезвоживании до влажности менее 30% и селективном размещении сырья различного качества для использования, как в средней, так и в долгосрочной перспективе.

Научная новизна работы: 1. Классификация технологических схем утилизации отходов обогащения медно-колчеданных руд различного качества с учетом условий их локального размещения в выработанном пространстве рудников.

2.3акономерности формирования локальных сегментов техногенных образований из отходов обогащения руд различного качества и, с учетом этого, мест расположения прудков отстоя воды в ВПК.

3.Методика выбора параметров технологии утилизации отходов обогащения руд для формирования локальных участков техногенного образования с заданным качеством сырья, включающая графоаналитический метод расчета объемов и количества районированных участков техногенного сырья различного качества и учитывающая результаты экспериментальных исследований параметров техногенного массива в выработанном пространстве карьера.

4.Методика обоснования параметров комбинированной открыто-подземной геотехнологии разработки крутопадающих медно-колчеданных месторождений выдержанной мощности, базирующаяся на определении рациональной глубины перехода от открытых горных работ к подземным с учетом перспектив утилизации хвостов обогащения руд в карьере.

Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечивается надежностью и представительностью исходных данныхадекватностью разработанной имитационной модели условиям функционирования горнотехнических систем комплексного освоения рудных месторождений комбинированными геотехнологиямисопоставимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, обработанных методами математической статистикииспользованием современного оборудования и апробированных методик.

Практическая значимость работы состоит в разработке и обосновании параметров технологии утилизации техногенного сырья различного качества в локальных сегментах выработанного пространства Учалинского карьера, создании устройства для обезвоживания хвостовой пульпы в выработанном пространстве открытого или подземного рудника и разработке рекомендаций по формированию гидроизолирующих перемычек с применением передвижного закладочного комплекса. Внедрение разработанных рекомендаций обеспечивает повышение эффективности комбинированной разработки рудных месторождений.

Реализация работы. Результаты работы использованы при выполнении государственного контракта с Минобрнаукой РФ № 16.525.12.5001. Результаты исследований используются при чтении курсов «Комплексное освоение недр», «Комплексное освоение рудных месторождений» и «Основы разработки техногенных образований» в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет», «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Личный вклад автора состоит в разработке методики экспериментальных исследований параметров комбинированной геотехнологии с утилизацией техногенного медно-колчеданного сырья на моделях из эквивалентных материалов и имитационных, обработке результатов с установлением значимых закономерностей, параметров комбинированной разработки медно-колчеданных месторождений и технологии утилизации отходов обогащения руд, а также в разработке рекомендации по утилизации техногенного сырья в Учалинском карьере, технологии возведения изолирующих перемычек между выработанным пространством карьера, заполняемым пульпой, и выработками подземного рудника, усовершенствовании конструкции вакуум-фильтра для обезвоживания хвостовой пульпы перед складированием в карьер.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 5 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, подано 2 заявки на полезную модель.

Апробация работы. Основные результаты, положения и выводы докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2012;2013 гг.) — VI Международной конференции «Комбинированная геотехнология: теория и практика реализации полного цикла комплексного освоения недр» (Магнитогорск, 2011 г.) — 69, 70 научно-технических конференциях Магнитогорского государственного технического университета (2012;2013 гг.) — технических советах Учалинского ГОКа (Учалы, 2012;2013 гг.), Маркшейдерское и геологическое обеспечение горных работ (Магнитогорск, 2013).

Объем и структура работы:

Диссертация представлена на 176 страницах, состоит из введения, 4 глав, заключения и содержит 71 рисунков, 20 таблиц, библиографический список из 104 наименований.

Основные результаты проведенных исследований состоят в следующем.

1. Доказано, что учет при проектном обосновании предельной глубины карьера специфики и параметров технологии утилизации в его выработанном пространстве отходов обогащения руд с установленными характеристиками техногенного массива обеспечивает повышение эффективности и комплексности освоения рудных месторождений комбинированной геотехнологией. При этом использование карьера в качестве емкости для складирования отходов обогащения медно-колчеданных руд обеспечивает рост совокупного дохода от освоения месторождения на 15 — 20%.

2. Установлено, что складирование в выработанное пространство карьера обезвоженной до влажности менее 30% высокоплотной пульпы обеспечивает возможность селективного размещения в локальных сегментах техногенного сырья с различными характеристиками вещественного состава. Количество формируемых сегментов ЭДр в зависимости от количества точек сброса пульпы п, т определяется: N ¡-р = Пт1п + 2-(п-т -1).

3. Экспериментально определены зависимости параметров техногенных образований от основных факторов, влияющих на объемы складирования техногенного сырья различного качества и характеристики формируемого в ВПК техногенного массива. Показано, что управление параметрами формируемых в карьере техногенных образований базируется на регулировании режимов получения с использованием различного рода флокулянтов высокоплотной пульпы и технологии ее складирования в выработанном пространстве. Установлено, что угол растекания обезвоженной пульпы зависит от вида и расхода применяемого при сгущении флокулянта и изменяется от 3 до 24 град.

4. Разработана классификация технологических схем складирования пульпы отходов обогащения руд в выработанном пространстве карьеров. Основными классификационными признаками являются стабильность или изменчивость состава пульпы, а также ресурсная ценность техногенного сырья, которые и определяют выбор технологий подготовки, транспортировки и складирования разнокачественных хвостов обогащения медно-колчеданных руд в выработанном пространстве карьеров.

5. На основе имитационного экономико-математического моделирования комбинированной разработки крутопадающих месторождений медно-колчеданных руд произведена оценка влияния на предельную глубину карьера перспектив складирования техногенного сырья в его выработанное пространство. Установлено, что использование карьера в качестве емкости для складирования отходов уменьшает рациональную глубину перехода открытых работ к подземным. Причем, учет при проектировании комбинированной разработки медно-колчеданных месторождений выдержанной мощности с применением систем разработки с твердеющей закладкой выработанного пространства и утилизацией отходов подземной добычи руд в карьере уменьшает рациональную глубину перехода от открытых горных работ к подземным на малых месторождениях на 90−110 м, средних — на 50−70 м, а на крупных — на 20−30 м.

6. С учетом обоснованных параметров технологий утилизации отходов обогащения руд в выработанном пространстве карьера при комбинированной геотехнологии, разработаны рекомендации, включающие: обоснование параметров утилизации хвостов Учалинской обогатительной фабрики в одноименном карьереобоснование применения передвижных закладочных комплексов для формирования изолирующих перемычек в ходе подготовки ВПКразработку оригинальных вакуум-фильтров с компоновкой конструктивных элементов в вертикальной плоскости, что позволяет разместить вакуум-фильтры в выработках подземного рудника без строительства дополнительных зданий. Рассчитанный ожидаемый экономический эффект от внедрения данных технологических рекомендаций составляет 57,8 млн.р./год. Экономический эффект достигнут, главным образом, за счет сокращения земельного налога и платежей за размещение отходов, а также уменьшения сроков и затрат на возведение гидроизолирующих перемычек в выходящих в карьер подземных выработках, сокращения затрат на строительство зданий и сооружений участка обезвоживания техногенного сырья.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации, являющейся законченной научно-квалификационной работой, дано решение актуальной научно-технической задачи — обоснованы параметры комбинированной геотехнологии с утилизацией отходов обогащения медно-колчеданных руд в выработанном пространстве карьеров, что обеспечивает повышение эффективности и комплексности освоения месторождений и имеет важной значение для развития горнопромышленного комплекса России.