Разработка и научное обоснование геотехнологий добычи железных руд при освоении природных и техногенных месторождений Западной Сибири

Актуальность работы.

Алтае-Саянская территория располагает крупными железорудными месторождениями с балансовыми запасами более 3 млрд т. Руды, в основном, магнетитовые, средней ценности, легкообогатимые.

Оценка ресурсного потенциала показала, что с освоением Белорецко-Инского, Тейской группы месторождений, вовлечением в переработку скопившихся техногенных образований, наряду с модернизацией геотехнологии действующих предприятий, регион способен обеспечить сырьем металлургические заводы Западной Сибири на 50 и более лет.

Основной способ разработки железорудных месторождений на действующих предприятиях региона — подземный. Рудники — Абаканский, Каз-ский, Таштагольский и Шерегешский — извлекают более половины объема подземной добычи железных руд в России. Шахтным способом отрабатываются весьма мощные залежи сложного блочного строения с развитой тектонической нарушенностью на глубинах 500−800 м. Руды и породы крепкие, склонные к разрушению в динамической форме. На Таштагольском и Шере-гешском рудниках периодически происходят горные удары и микроудары.

Начиная с 60-х годов прошлого столетия, очистная выемка на рудниках осуществляется системой этажного обрушения с вибровыпуском руды. Использование при этой технологии морально устаревшего переносного горного оборудования обусловливает большой объем ручного труда (до 70−80%), высокий уровень травматизма и профзаболеваний горнорабочих, которые возрастают с увеличением глубины горных работ. Сложное конструктивное оформление горизонтов бурения и доставки определяет повышенный объем проходческих работ (2,5−3,0 м/1000 т) и изрезанность массива блока, что противоречит требованиям безопасности отработки месторождений, склонных к горным ударам. Низкие темпы вскрытия месторождений, подготовки блоков и воспроизводства погашаемых запасов ограничивают интенсивность добычных работ и производственную мощность рудников. Большие масштабы массовых взрывов при обрушении блоков (до 400−600 т ВВ), с одной стороны, провоцируют проявления горного давления в форме вплоть до горнотектонических ударов, с другой — при существующих сложных строениях залежей, вызывают дополнительный прихват боковых пород, снижая содержание металла в сырой руде.

В течение длительного применения системы этажного обрушения с переносным оборудованием на рудниках проводились исследования по совершенствованию процессов отбойки и выпуска руды, проходческих и буровых работ, поиску путей снижения вероятности горных ударов и повышения безопасности горных работ.

Однако за 40-летний период это не привело к существенному улучшению показателей рудников. Производительность труда на очистных и проходческих работах, шахте в целом не растет и в 3,5−4,5 раза уступает современным рудникам. Уровень травматизма, его частота и тяжесть, профзаболевания горнорабочих остаются недозволительно высокими. Себестоимость добычи руды подземным способом значительно превышает карьерное извлечение железорудных запасов.

Мировая практика подземной разработки рудных месторождений убедительно показала, что повышение экономической эффективности, рост производительности труда, коренное улучшение санитарно-гигиенических условий и резкое сокращение травматизма на горных работах достигаются на рудниках с освоением интенсивных технологий добычи на основе комплексов самоходного оборудования.

В этой связи ключевой проблемой безопасной и эффективной выемки рудных залежей разрабатываемых, и особенно перспективных к освоению новых месторождений, является модернизация добычи руды на основе инновационных технологий и технического перевооружения горных работ с заменой переносного горного оборудования самоходной техникой. Обоснование системы разработки и ее параметров должно осуществляться в соответствии с принципами ведения горных работ в условиях повышенных напряжений в массиве руд и пород.

Весьма актуальным для экономики рудников, улучшения экологии территории становится вовлечение в эксплуатацию техногенного сырья, значительная часть которого может быть рентабельно переработана и утилизирована. Разработка легкодоступных техногенных образований в период реконструкции действующих рудников и освоения перспективных месторождений позволит обеспечить металлургию региона дополнительными объемами железорудного сырья, строительный сектор — фракционированным щебнем.

Цель работы — разработка и научное обоснование эффективных технологий подземной добычи железных руд, вовлечение в переработку техногенных месторождений региона.

Идея работы состоит в использовании преимуществ самоходного оборудования для разработки мощных рудных залежей на принципах ведения горных работ в условиях высоких напряжений пород и комплексном освоении минеральных ресурсов.

Задачи исследований:

— определить роль местной сырьевой базы для удовлетворения потребностей Западно-Сибирского металлургического комплекса в товарной железной руде и установить потенциал действующих, резервных и техногенных месторождений;

— усовершенствовать технологические процессы системы этажного обрушения с вибрационным выпуском руды;

— проанализировать основные технико-экономические и социальные показатели существующей технологии подземной добычи руд;

— обосновать технологию отработки железорудных месторождений региона на базе самоходной техники и определить рациональные параметры очистной выемки руды;

— разработать и оценить новые варианты вскрытия и отработки действующих и резервных месторождений модернизированной геотехнологией;

— изучить строение, количественные и качественные параметры железорудных отвалов и перспективы их переработки;

— разработать технологию, принципиальную схему модульного комплекса для рентабельной переработки вторичного сырья и получения товарных продуктов.

Методы исследований. Научные и практические результаты диссертационной работы получены на основе анализа и обобщения литературных источников, лабораторных экспериментов методами математического и физического моделирования, натурных наблюдений, шахтных экспериментов, опытно-промышленных испытаний и технико-экономических расчетов. Научные положения, выносимые на защиту:

1. Западно-Сибирский металлургический комплекс располагает достаточной рудной базой и с вводом в эксплуатацию Белорецко-Инского, Тейской группы месторождений, учетом производственной мощности действующих рудников и вовлечением в разработку техногенных ресурсов, способен обеспечить металлургические заводы собственным сырьем в течение более 50 лет.

2. Повышение качества, полноты и интенсивности извлечения запасов при этажном обрушении и площадном выпуске руды достигается приданием компенсационной камере трапециевидной формы и оставлением на фланге панели временного барьерного целика.

3. Система разработки подэтажного обрушения с комбинацией торцового и площадно-торцового выпуска руды обеспечивает проветривание очистных забоев за счет общешахтной депрессии, расширение зоны потока отбитого слоя руды и способствует уменьшению разубоживания и потерь руды соответственно в 1,4 и 1,6 раза.

4. Напряжения горных пород в выработках горизонта выпуска при торцовой и площадно-торцовой схемах извлечения запасов снижаются относительно площадного выпуска руды соответственно на 40 и 25%.

5. Строительство рудников с использованием на проходке выработок комплексов самоходного оборудования по сравнению с переносным горным оборудованием, принятым в регионе, сокращает сроки ввода и освоения проектных показателей предприятий в 3−4 раза.

6. Эффективность переработки лежалых железорудных отходов горнообогатительного производства достигается предварительным фракционированием исходного материала с выделением магнетитовой составляющей для получения концентрата и извлечением немагнитного материала для производства строительного щебня.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

— применением апробированных методов для обработки результатов натурных и лабораторных экспериментов, методик и статистического анализа;

— сопоставимостью физического и математического моделирования, лабораторных и шахтных исследований с удовлетворительной сходимостью полученных различными методами результатов;

— представительностью внедрения научно-исследовательских разработок, технологических решений и инженерных расчетов в производственную деятельность рудников по совершенствованию технологии подземной добычи руды и переработке техногенных образований;

— включением рекомендаций автора в нормативно-методические и инструктивные документы, действующие на предприятиях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установлено, что Западно-Сибирский металлургический комплекс располагает достаточной рудной базой и с вводом в эксплуатацию Белорецко-Инского, Тейской группы месторождений, учетом производственной мощности действующих рудников и вовлечением в разработку техногенных ресурсов, способен обеспечить металлургические заводы собственным сырьем в течение более 50 лет.

2. Выявлено, что повышение качества, полноты и интенсивности извлечения запасов при этажном обрушении и площадном выпуске руды под покрывающими породами, в том числе с примесью глины, достигается приданием компенсационной камере трапециевидной формы и оставлением на фланге панели временного барьерного целика.

3. Анализом динамики основных технико-экономических и социальных показателей установлено, что геотехнология разработки мощных железорудных залежей системой этажного обрушения с использованием переносного горного оборудования при постоянном ухудшении горнотехнических и геомеханических условий исчерпала возможности для повышения эффективности и безопасности горных работ и требует модернизации.

4. Для условий железорудных месторождений региона разработан новый вариант системы подэтажного обрушения со слоевой отбойкой и дозированным площадно-торцовым выпуском руды, позволяющий повысить качество и полноту извлечения запасов из недр, осуществлять проветривание очистных забоев за счет общешахтной депрессии.

5. Обоснованы рациональные параметры системы подэтажного обрушения с торцовым и площадно-торцовым выпуском руды. Установлены зависимости показателей качества и полноты извлечения руды от расстояния между погрузочными заездами, высоты, толщины и угла отбиваемого слоя, режима выпуска.

6. Доказано, что уровень напряженного состояния массива горных пород в выработках выпуска при подэтажной выемке с торцовой и площадно-торцовой схемой извлечения руды на 40 и 25% соответственно меньше, чем при системе этажного обрушения с площадным выпуском.

7. Разработаны схемы вскрытия наклонными съездами перспективных месторождений региона с применением комплексов самоходного оборудования. Доказано, что использование самоходной техники при строительстве рудников сокращает сроки их ввода в эксплуатацию и освоения производственной мощности в 3−4 раза. Переход на систему подэтажного обрушения с площадно-торцовым и торцовым выпуском руды позволяет повысить производительность труда забойного рабочего до 90-Н00 т/чел. смену, уменьшить конструктивное разубоживание руды и снизить себестоимость добычи на 20−25% (без амортизации).

8. Разработана технология переработки лежалых железорудных отходов горно-обогатительного производства. Доказана эффективность предварительного фракционирования сыпучего исходного материала с выделением магнетитовой составляющей из минералогической смеси отходов и их раздельная магнитная сепарация на модульном обогатительном комплексе с извлечением немагнитного материала для получения строительного щебня.

Личный вклад автора заключается в: постановке проблемы и задач по разработке и научному обоснованию эффективных технологий подземной добычи железных руд месторождений Западной Сибирипроведении лабораторных и натурных исследований по установлению закономерностей выпуска руды под обрушенными породамиразработке конструкций днищ очистных блоков и обосновании рациональных параметров новых вариантов систем этажного и подэтажного обрушенияобосновании схем вскрытия и технологии отработки Тейского, Абагасского, Белорецкого и Инского железорудных месторождений самоходным оборудованиемустановлении области применения системы подэтажного обрушения с использованием площадно-торцового и торцового выпуска рудыизучении структуры и качественных показателей железорудных отвалов, разработке технологии переработки техногенных образований.

Практическая значимость работы состоит в техническом перевооружении горных работ с переходом геотехнологии подземной разработки железорудных месторождений на систему подэтажного обрушения с торцовым и площадно-торцовым выпуском рудыпредпроектном технико-экономическом обосновании вскрытия перспективных месторождений региона наклонными съездамивыявлении ресурсного потенциала техногенных образований и разработке технологии переработки вторичного сырья модульными обогатительными комплексами.

Реализация работы.

Содержание работы является результатом исследований, выполненных автором для железорудных месторождений Сибири в период практической и научной деятельности на Шерегешском руднике, в Западно-Сибирском геологическом управлении и ИГД СО РАН с 1975 по 2012 гг.

Исследования проводились в рамках научно-технических программ РАН: «Развитие научных основ эффективных технологий разработки месторождений твердых полезных ископаемых подземным способом», «Научное обоснование концепции технического перевооружения и реконструкции рудников Сибири», «Освоение недр Земли: новые методы разработки многокомпонентных руд, углей и техногенных образований», научной школы чл.-корр. РАН В. Н. Опарина (НШ-3803.2008.5).

Результаты исследований вошли составной частью в нормативно-методические и инструктивно-технические документы, регламентирующие геотехнологию подземной разработки железорудных месторождений Западной Сибири, и используются техническими службами рудников в повседневной работе. С участием автора институтом «СИБГИПРОРУДА» выполнены проекты по освоению перспективных месторождений региона, ТЭО реконструкции действующих и строительства новых рудников.

Разработанные по теме диссертационной работы технические решения защищены авторскими свидетельствами и патентами на изобретения, из которых 8 внедрены в горнорудном производстве. Реализация крупномасштабной взрывной отбойки железных руд в сейсмоактивных районах Сибири отмечена премией Правительства РФ в области науки и техники (постановление правительства РФ № 5949 от 02.03.2005 г.). Комплекс изобретений по совершенствованию технологии разработки рудных месторождений удостоен премии и диплома Губернатора Кемеровской области (№ 0043, 2004 г.).

Апробация. Основные положения диссертации докладывались на: конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (Новокузнецк 1999 г.), конференции «Научно-технический прогресс — основа развития Шерегешского рудника» (Ше-регеш 2002 г.), конференции «Наукоемкие технологии добычи и переработки полезных ископаемых» (Новосибирск 2003 г.), международной конференции «Горная промышленность на рубеже веков» (Тунис 2002 г.), научно-технической конференции «Техника и технология разработки месторождений полезных ископаемых» (Новокузнецк 2007 г.), международном симпозиуме «New Progress on Civil Engineering and Architecture» (Qingdao, China 2004), конференции «Неделя горняка» (Москва 2002, 2007 гг.), международной конференции «Проблемы и пути устойчивого развития горнодобывающих отраслей промышленности» (Казахстан 2007 г.), международном симпозиуме «Advances in Geotechnical and Structural Engineering, Qingdao, China, 2008), научном конгрессе «Гео-Сибирь» (Новосибирск 2008, 2009 гг.), конференции «Современные технологии освоения минеральных ресурсов» (Красноярск 2009 г.), международном симпозиуме «Orebody Modelling and strategic Mine Planning: Old and new dimensions in changing world» (Perth, Western Australia, 2009), конференции «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (Новосибирск 2008, 2010 гг.) — заседаниях технических советов рудников, ученых советов институтов «Сибгипроруда», ВостНИГРИ, СибГИУ, КузГТУ, ИГД СО РАН.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 62 опубликованных работах, в том числе, в изданиях, рекомендованных ВАК РФ -20, сборниках научных трудов и материалах конференций, симпозиумов и конгрессов — 21, а также в монографии, 5 нормативных документах, 15 авторских свидетельствах на изобретения и патентах РФ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений, изложенных на 298 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков, 63 таблицы, список литературы из 178 наименований.

Выводы по главе.

1. В границах горного отвода рудников Западной Сибири на площади более 500 гектаров сконцентрировано 200 млн т отходов обогащения руд прошлых лет с содержание Бе от 8 до 30%, что по объему соизмеримо с крупным месторождением полезного ископаемого.

2. Отвалы лежалых отходов рудников и обогатительных фабрик сибирского региона являются техногенными образованиями, содержащими полезные металлы (Бе, Ъп, Со, Си, А§-, Аи) и, в первую очередь, железо.

3. Получение товарного продукта (первичного железорудного концентрата, фракционированного строительного щебня) на первоначальном этапе освоения техногенных образований региона наиболее целесообразно из отвалов Шерегешского рудника, где сосредоточено большое количество отходов (23,2 млн т) со средним уровнем содержания массовой доли железа 15,5%.

4. Исследования фракционного и качественного составов лежалых хвостов обогатительных фабрик определили главные направления и особенности технологии переработки отвалов:

— максимально возможное выделение магнетитовой составляющей из минералогической и текстурной смеси отходов на месте их дислокации;

— разделение фракций сыпучего исходного материала на два и более класса с раздельной их сухой магнитной сепарацией;

— выделение немагнитного материала и его фракционирование для получения строительного щебня.

5. Разработанные способ и технологическая схема переработки железорудных отходов позволили создать цепь агрегатов модульного обогатительного комплекса по извлечению товарного продукта из лежалых хвостов.

6. Апробация технологии переработки отходов на дробильно-обогатительной фабрике Шерегешского рудника при проведении промышленных испытаний показала ее эффективность и возможность получения товарного продукта — первичного концентрата (Fe=36−40%) и строительного щебня фракций от -5 + 40 мм.

7. Выполненный инвестиционный проект организации производства переработки отходов с использованием модульного обогатительного комплекса показал:

— годовой объем переработки отходов при сезонном режиме работы комплекса составляет 1,0 млн т с получением 120 тыс. т первичного железорудного концентрата и 400 тыс. т фракционированного щебня;

— на реализацию проекта, с учетом приобретения оборудования, требуются инвестиции в объеме 26,5 млн рублей, срок погашения кредита — 2 года;

— величина накопленной наличности и чистый дисконтированный доход (ЧДД) за пятилетний период составят соответственно 78 и 61 млн рублей, а чистая прибыль за пятилетний период достигнет 23 млн рублей;

— риск неэффективности проекта (вероятность того, что ЧДД < 0) составил 0,005, что свидетельствует об эффективности и целесообразности переработки вторичного минерального сырья.

8. Переработка рудничных отвалов, кроме получения прямой экономической выгоды в виде товарного продукта, вернет в народнохозяйственный оборот рекультивированные земли, позволит существенно снизить экологическую нагрузку от сбросов и выбросов вредных веществ с отвалов в развивающуюся туристическую и курортную зону Кузбасса и Сибири — Горную Шорию.

Заключение

.

1. Западно-Сибирский металлургический комплекс располагает достаточными ресурсами железной руды местной сырьевой базы, включающей балансовые запасы действующих рудников Кемеровской области, Хакасии, Красноярского края, запасы перспективных резервных железорудных месторождений региона (> 2 млрд т) и вторичное сырье техногенных образований (-200 млн т).

2. Применяемая более 40 лет технология добычи руды системой этажного обрушения с использованием переносного оборудования характеризуется неудовлетворительными показателями извлечения полезного ископаемого, высоким уровнем себестоимости, травматизма и профессиональной заболеваемости горнорабочих, низкой производительностью труда, что обусловлено большим объемом ручных операций.

3. Выявлено, что придание компенсационной камере трапециевидной формы, оставление на фланге фронта панели временного рудного целика при этажном обрушении и площадном выпуске руды под покрывающими породами, в том числе глиносодержащими, улучшает сыпучие свойства руды, увеличивает извлечение «чистой» руды до 84%, уменьшает соответственно потери и разубоживание на 1,7 и 2,7%.

4. Для условий железорудных месторождений региона разработан новый вариант системы подэтажного обрушения с площадно-торцовым выпуском руды на базе комплексов самоходных машин, позволяющий обеспечить вентиляцию очистных забоев за счет общешахтной депрессии, повысить показатели извлечения руды, по сравнению с торцовой схемой, в 1,4−1,6 раза.

5. Установлены зависимости полноты и качества извлечения рудных запасов от конструктивных параметров системы подэтажного обрушения. При торцовой и площадно-торцовой схемах выпуска руды рациональными параметрами являются: расстояние между буро-доставочными ортами 12−44 м, высота подэтажа — 15−20 м, угол наклона забоя — 75−85°, толщина обрушаемого слоя руды 3−4 м и 8−10 м соответственно, соотношение объемов выпуска по площади и торца забоев 2:1.

6. Численным моделированием установлено, что напряжения горных пород в выработках при торцовой и площадно-торцовой схемах на 25−40% соответственно ниже, чем при площадной схеме выпуска руды в системе этажного обрушения. В выработках основания блока при площадной схеме выпуска из-за высокой изрезанности массива возникают напряжения в горных породах (оу= 84ч-134 и /-=42−57 МПа), соизмеримые с их прочностью.

7. Выполненный на примере Шерегешевского месторождения инвестиционный проект показал, что освоение рудником технологии добычи руд на основе самоходного оборудования и применения системы подэтажного обрушения с площадно-торцовым выпуском руды позволяет: снизить объем ручного труда и коренным образом улучшить безопасность горных работ путем комплексной механизации производстваповысить производительность труда по системе разработки в 3−4 разаувеличить объем добычи руды без расширения площади отработки до 5,8−5,9 млн тснизить масштабы массовых взрывов и, тем самым, вероятность проявлений горного давления в динамической формеуменьшить разубоживание руды при отработке рудных тел сложного строения за счет более точного оконтуривания залежей и оставления части породных включений в недрах, повысить содержание металла в сырой руде и обеспечить прирост товарной продукции. Риск неэффективности проекта минимален — 0,01.

8. Разработаны схемы вскрытия и отработки перспективных железорудных месторождений Абагасского, Белорецкого, Инского и подкарьерных запасов Тейского месторождения на базе комплексов самоходного оборудования. Показано, что строительство рудников с использованием самоходного оборудования позволяет сократить сроки ввода подземных рудников в эксплуатацию в 3−4 раза. Расчетами установлено, что освоение новых вариантов отработки по сравнению с проектными показателями обеспечит повышение производительности труда забойных рабочих до 80−95 т/смену, снижение себестоимости руды (без амортизации) на 20−25%.

9. Изучен качественный и фракционный состав техногенных образований Шерегешского рудника. Содержание железа в лежалых хвостах составляет свыше 12% и наиболее обогащена железом мелкая фракция (0−10 мм), где содержание Реобщ >15%, Ремап1. — 6% и существуют значительные по размерам зоны с высоким содержанием железа, достигающим 18−22% и режедо 35%.

10. Разработана технология переработки вторичного сырья, которая обеспечивает получение кондиционного концентрата с содержанием железа 40% и выходом 16−25%. Эффективность переработки достигается предварительным фракционированием исходного материала с выделением магнети-товой составляющей из минералогической смеси отходов посредством магнитной сепарации для получения железорудного концентрата и извлечением немагнитного материала для производства строительного щебня. Модульный обогатительный комплекс при производительности переработки отходов 1 млн т/год обеспечивает производство 250 тыс т концентрата, себестоимость которого в 1,7−2,0 раза ниже себестоимости концентрата получаемого из руды, добытой подземным способом. Риск недостижения проектных показателей составил 0,1.

Результаты использования исследований в производственной деятельности рудников региона представлены в приложении 5.