Введение к работе
Актуальность работы. До настоящего времени отходы обогащения руд складируются в хвостохранилищах различного типа, занимающих только на Урале более 500 млн. гектаров земель, при ежегодном приросте объемов техногенного сырья свыше 15 млн.т, так как для производства 1 тонны меди необходимо переработать до 100 т горной массы. Экологические выплаты за эксплуатацию хвостохранилищ, как промышленно опасных объектов, достигают 15 % от затрат на добычу и переработку руды.
В промышленно развитых районах, выделение земель, особенно находящихся в сельскохозяйственном обращении, существенно осложнено. Решение данной проблемы возможно за счет использования в качестве емкости для размещения отходов горного производства выработанных пространств карьеров и подземных рудников, объемы которых только на медноколчеданных месторождениях составляют свыше 560 млн. м3..
Анализ опыта использования выработанных пространств показал, что размещение в них отходов обогащения ведет к формированию водонасыщенных слабоуплотняемых массивов, характеризующихся низкими значениями предела текучести, что позволяет отнести их к категории опасных и весьма опасных по прорывам.
Использование карьерных пространств, подрабатываемых подземными работами, и заполняемых текущими отходами обогащения, будет приводить к дренированию больших объемов воды в подземные выработки, необходимости изоляции подземных работ, неполному использованию карьерного пространства. Поэтому обоснование эффективных технологий формирования искусственных массивов из отходов обогащения в выработанном карьерном пространстве, при совмещении процессов заполнения карьера и подземных горных работ, представляет весьма актуальную научно-практическую задачу.
Целью работы является обоснование параметров технологии формирования закладочного массива из отходов обогащения в выработанном карьерном пространстве в условиях совмещения с подземными работами, обеспечивающих эффективность размещения отходов и безопасность подземных работ.
Идея работы состоит в использовании установленных зависимостей технологических параметров формируемого массива от физико-механических свойств сгущенных отходов обогащения при обосновании параметров технологии закладки карьера, обеспечивающих повышение полноты использования карьерного пространства и плотности техногенного массива, снижение объемов воды, поступающей в подземные выработки.
Объект исследований – открыто-подземная комбинированная геотехнология освоения медно-колчеданных месторождений.
Предмет исследования – технология заполнения выработанного пространства карьеров выработок отходами обогащения.
Задачи исследований:
1. Анализ и обобщение опыта и существующих методик выбора и обосно-
вания параметров технологии закладки выработанного пространства карьеров отходами обогащения.
2. Оценка горнотехнической ситуации при комбинированной разработке медноколчеданных месторождений.
3. Исследование свойств отходов обогатительного производства при освоении медноколчеданных месторождений. Способы подготовки отходов обогащения перед подачей в карьерное пространство.
4. Разработка технологических схем заполнения карьера отходами обогащения при освоении медноколчеданных месторождений и их классификация, исследование факторов, влияющих на технологию заполнения карьера.
5. Технико-экономическая оценка технологических схем заполнения карьерного пространства сгущенными отходами обогащения. Разработка методики выбора рациональных вариантов схем, апробация и внедрение рекомендаций.
Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий определение состава и свойств текущих и сгущенных отходов обогащения и формируемого массива, физическое и компьютерное моделирование, экономические расчеты, статистическую обработку результатов исследований и их технико-экономический анализ.
Положения, выносимые на защиту:
-
Выбор рационального способа формирования в отработанном карьере техногенного массива из отходов обогащения обеспечивается использованием технологических схем, дифференцированных по фазовому состоянию отходов обогащения, нарушенности прикарьерного массива, степени совмещения с подземными работами.
-
В условиях совмещения процессов заполнения карьера отходами обога-щения с подземной добычей в подкарьерной зоне, формирование техногенного массива с рациональными технологическими параметрами (плотность, пористость, влажность, угол растекания) обеспечивается за счет управления физико-механическими свойствами сгущенных хвостов обогащения (содержание твердого от Т:Ж=65:35 до Т:Ж=75:25 и расход флокулянтов), а так же использования эффекта кольматации сыпучих сред и нарушенного массива для изоляции карьерного пространства.
-
Повышение полноты использования карьерного пространства, форма и объем искусственного массива обеспечиваются применением сгущенных хвостов обогащения, рациональным размещением точек сброса их в карьер, сбором и перепуском избыточной воды на нижних горизонтах карьера в подземные выработки с помощью дренажной системы. В качестве дренажной системы применяются фильтрационные экраны и комплекс перепускных скважин.
Научная новизна работы:
1. Классификация технологических схем формирования искусственного массива в выработанном карьерном пространстве из сгущенных отходов обогащения медноколчеданных руд, отличающаяся учетом фазового состояния отходов, совмещения с подземными работами, состояния карьерного пространства и положения фронта подземных работ.
2. Методика обоснования параметров технологических схем заполнения выработанного карьерного пространства сгущенными отходами при совмещении закладочных и подземных горных работ.
3. Эмпирические зависимости: физико-механических характеристик (модуль упругости, пористость, коэффициент Пуассона) формируемого массива от создаваемого им давления; угла растекания и водоотдачи от консистенции и расхода флокулянта; глубины проникновения пульпы в сыпучий массив от величины гидростатического напора.
Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечивается: представительностью и надежностью исходных данных; адекватностью разработанных имитационных моделей условиям закладки выработанного карьерного пространства; сопоставимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, обработанных методами математической статистики; использованием современного оборудования и апробированных методик.
Практическая значимость работы состоит в разработке: технологических схем заполнения карьеров сгущенными хвостами обогащения, обеспечивающих повышение его вместимости и плотности техногенного массива, рекомендации по сооружению фильтрационных экранов и дренажных систем в горизонтальных и вертикальных выработках, формированию водонепроницаемых перемычек.
Реализация работы. Результаты работы использованы при разработке технологического регламента «Закладка отработанного пространства Учалинского карьера твердеющими смесями на основе отходов обогащения», выполнении государственного контракта с Минобрнаукой РФ №16.515.11.5065 от «30» сентября 2011 г. «Изыскание технологии комплексного освоения рудных месторождений с активной утилизацией некондиционного сырья»; чтении дисциплины «Комплексное освоение рудных месторождений» в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова».
Личный вклад автора состоит в постановке задач исследований, сборе исходных данных, разработке классификации технологических схем закладки выработанного карьерного пространства отходами обогащения, обосновании методики экспериментальных исследований технологии на физических моделях и в промышленных условиях, обработке результатов, в разработке рекомендаций по закладке сгущенными хвостами обогащения Гайского и Учалинского карьеров, технологии возведения водонепроницаемых перемычек, апробации рекомендаций в промышленных условиях.
Апробация работы. Основные результаты, положения и выводы докладывались и обсуждались на Международных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2010-2013 гг); VI и VII Международных конференциях «Комбинированная геотехнология: теория и практика реализации полного цикла комплексного освоения недр» (Магнитогорск, 2011 и 2012 гг); 69 и 70 Межрегиональных научно-технических конференциях: «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (г. Магнитогорск, МГТУ, 2011-2012гг); «Маркшейдерское и геологическое обеспечение горных работ» (г. Магнитогорск, 2013 г); технических советах Учалинского и Гайского ГОКов (Учалы, Гай 2012-2013 гг); Всероссийской молодежной научно-практической конференции (с участием иностранных ученых) «Проблемы недропользования» (г. Екатеринбург, ИГД УрО РАН, 2013г).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 9 работах, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 138 наименований и содержит 160 страниц машинописного текста, 76 рисунков, 17 таблиц.
Автор выражает благодарность сотрудникам кафедр ПРМПИ и ОПИ Института горного дела и транспорта МГТУ им. Г.И.Носова, сотрудникам ИПКОН РАН за научные консультации и замечания при выполнении и обсуждении результатов исследований, а также руководству ОАО «Учалинский ГОК» за содействие в организации лабораторных и опытно-промышленных исследований.
