Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы открытой разработки рудных месторождений скального типа 12
1.1. Основные исходные положения 12
1.2. Обобщение отечественной и зарубежной практики разработки рудных месторождений открытым способом 13
1.3. Основные особенности проектирования технологии открытой разработки рудных месторождений 23
1.4. Анализ ранее выполненных исследований в области технологий открытой разработки рудных месторождений 28
1.5. Минерально-сырьевые ресурсы Каларо-Удоканского рудного района 33
2. Обоснование прогрессивной технологии открытой разработки месторождений комплексных руд 38
2.1. Основные особенности современной карьерной техники, технологии и сложившихся тенденций в их изменении 38
2.2. Обоснование прогрессивной технологии открытой разработки месторождений комплексных руд скального типа и ее структура 45
2.3. Содержание и последовательность реализации основных технологических процессов 53
3. Рациональные методы и параметры управляемого взрывания скальных горных пород для реализации прогрессивной технологии открытой разработки рудных месторождений 61
3.1. Исходные положения 61
3.2. Особенности взрывания горных пород под локально-мобильным укрытием 64
3.3. Обоснование целесообразности рыхления горных пород взрыванием зарядов ВВ малого и весьма малого диаметра под локально-мобильным укрытием 66
3.4. Определение рациональной массы локально-мобильного укрытия 72
3.5. Экспериментальное установление основных параметров взрывания горных пород зарядами весьма малого диаметра 78
4. Технико-экономическое и социально- экологическое обоснование рациональных технологических схем открытой разработки месторождений комплексных железосодержащих руд 86
4.1. Обоснование целесообразности ввода в призабойное пространство мобильного подготовительно-обогатительного комплекса 86
4.2. Установление рациональных технологических схем открытой разработки Чинейского месторождения комплексных руд 93
4.3. Усовершенствование методики сравнительной оценки эффективности технологий открытой разработки месторождений комплексных руд 98
4.4. Технико-экономическая оценка эффективности применения прогрессивной технологии открытой разработки месторождений железосодержащих руд 108
Заключение 113
- Обобщение отечественной и зарубежной практики разработки рудных месторождений открытым способом
- Обоснование прогрессивной технологии открытой разработки месторождений комплексных руд скального типа и ее структура
- Особенности взрывания горных пород под локально-мобильным укрытием
- Установление рациональных технологических схем открытой разработки Чинейского месторождения комплексных руд
Введение к работе
На современном этапе формирования рыночной экономики основой эффективного функционирования и развития горной промышленности страны является широко применяемый открытый способ добычи твердых полезных ископаемых. В настоящее время в России открытым способом добывается около 90% железных руд, более 60% руд цветных металлов и угля.
Вместе с тем эксплуатация карьеров постоянно усложняется ухудшением горно-геологических условий, повышением требований к качеству продукции и ее реализации, рациональному использованию недр и охране окружающей среды в целом. Все это в целом предопределяет необходимость более гибкого и эффективного подхода к освоению месторождений.
Объемы и качество добываемых полезных ископаемых, эксплуатационные и капитальные затраты, прибыль и эффективность функционирования горных предприятий во многом предопределяются рациональностью применяемых технологий открытых горных работ и прежде всего ее основных процессов.
Ныне к качеству рыхления горной массы предъявляются в комплексе
весьма высокие требования, так как кусковатость горной массы, степень ее
разрыхления и компактность развала в значительной мере предопределяют
уровень производительности горно-транспортного, дробильно-
измельчительного оборудования; полноты и качества полезного ископаемого; эксплуатационных затрат и себестоимости конечной минеральной продукции. Зачастую осуществляется валовое взрывание добычных блоков сложного строения на открытый забой, что приводит к существенному нарушению природной геолого-морфологической структуры и контуров рудных тел, значительно затрудняет ведение раздельной выемки и увеличивает количественные и качественные потери.
Ведение массовых взрывов в карьерах весьма негативно отражается на состоянии окружающей среды, нередко приводит к длительным простоям
5 технологического оборудования, особенно в зимний период. Кроме того, широкое использование скважинных зарядов большого диаметра и массового их взрывания значительно затрудняет применение поточного производства горных работ при открытой разработке месторождений скального типа.
В связи с этим сложилась острая необходимость в обеспечении перехода от совершенствования отдельных технологических параметров открытой разработки к разработке принципиально новых технологий, в том числе и поточных, позволяющих коренным образом повысить технологические, экологические и экономические показатели открытых горных работ.
Исследования проводились в соответствии со следующими плановыми тематиками: «Научное обоснование рационального развития основных горнопромышленных отраслей Дальневосточного региона», раздел 2 - «Научное обоснование эффективных технологий освоения ресурсов твердых полезных ископаемых региона» на 2001-2002 г.; «Развитие научных основ и способов геотехнологии добычи цветных и драгоценных металлов», раздел 2 - «Научное обоснование создания прогрессивных технологий открытой разработки рудных и нерудных месторождений» на 2003-2005 г.
Исходным объектом исследования являются основные горногеологические особенности месторождения комплексных железосодержащих
РУД-
Предмет исследования - технология открытой разработки месторождений комплексных железосодержащих руд и ее основные технологические процессы.
Целью работы является научно-техническое обоснование и разработка рациональной технологии открытой разработки месторождений комплексных железосодержащих руд скального типа, позволяющей значительно повысить экономическую, экологическую и социальную эффективность их освоения.
Основная идея работы заключается в том, что создание рациональной технологии возможно осуществить на основе системы эффективных методов:
6 взрывного разрушения скальных горных пород горизонтальными шпуровыми зарядами малого диаметра под локальным мобильным укрытием; глубокой раздельной выемки руд и пород; сквозной рудоподготовки и переработки минерального сырья в призабойной зоне с использованием мобильного подготовительно-обогатительного комплекса. Основные задачи исследований:
Обобщить и выполнить анализ применяемых и предлагаемых технологий открытой добычи руд месторождений скального типа.
Установить рациональные методы и параметры рыхления горных пород взрыванием.
Обосновать целесообразность введения в призабойную зону мобильного подготовительно-обогатительного агрегата.
Обосновать методику сравнительной технико-экономической оценки технологических схем открытой добычи комплексных руд скального и полускального типа.
Обосновать рациональные технологические схемы ведения добычных работ в условиях открытой разработки месторождений комплексных железосодержащих руд, с применением комплекса эффективных методов: взрывного разрушения скальных горных пород горизонтальными шпуровыми зарядами малого диаметра под локальным мобильным укрытием; глубокой раздельной выемки руд и пород; сквозной рудоподготовки и переработки минерального сырья в призабойной зоне с использованием мобильного подготовительно-обогатительного комплекса.
Методы исследований. В процессе выполнения диссертационной работы использован комплекс основных методов исследований, включающий: обобщение и анализ литературных источников и фактических данных горнообогатительного производства; теоретические и экспериментальные исследования; математическую обработку результатов экспериментальных исследований; экономико-математическое моделирование.
7 Научные положения, предоставляемые к защите:
Высокоэффективная открытая добыча и переработка комплексных железосодержащих руд и освоение рудных месторождений скального типа в целом достижимы на основе научно-технического обоснования, разработки и широкого промышленного применения прогрессивной технологии освоения, базирующейся на компактном технологическом комплексе, включающем рациональные методы взрывного разрушения горных пород с использованием локально-мобильного укрытия, глубоко избирательную раздельную выемку и внутрикарьерную переработку кондиционной рудной массы с использованием мобильных подготовительно-обогатительных комплексов'и агрегатов.
Эффективное разрушение комплексных руд скального и полускального типов (при использовании на карьерах компактного горнообогатительного технологического комплекса) достигаются применением рациональных методов и параметров управляемого взрывания горизонтальных зарядов малого и весьма малого диаметра под локально-мобильным укрытием.
Значительное повышение технико-экономической (в 1,2-1,5 раза) и социально-экологической эффективности добычи, подготовки и переработки комплексных руд на карьерах обеспечивается применением рациональных технологических схем, включающих внутрикарьерные мобильные подготовительно-обогатительные комплексы или агрегаты.
Достоверность научных положений и выводов обеспечивается гкор-ректной постановкой и решением основных задач исследований; анализом достаточного объема данных технико-экономических показателей и социально-экологического уровня работы предприятий; использованием методов физического и экономико-математического моделирования и апробацией результатов на международных конференциях.
Научная новизна и ценность выполненной работы: 1. Научно обоснована высокоэффективная технология открытой добычи комплексных железосодержащих руд в сложных географических, горно-
8 геологических и экономических условиях новизна которой подтверждена двумя патентами и одним положительным решением на изобретения.
Предложена развернутая классификация комплексных титаномагне-титовых руд типичного месторождения
Усовершенствована методика технико-экономической оценки эффективности прогрессивной технологии открытой добычи сложнокомплекс-ных руд.
Практическая значимость результатов работы заключается, главным образом, в следующем:
Разработана высокоэффективная технология добычи комплексных железосодержащих руд на карьерах с применением их внутрикарьернои переработки;
Предложены рациональные методы и параметры взрывного разрушения горных пород различной крепости, позволяющие:
организовать работу карьера без остановки на выполнение взрывных работ и значительно снизить негативную нагрузку горных работ на окружающую среду;
обеспечить условия для осуществления глубокой селективной выемки;
3. Использование предложенных рациональных технологических схем,
методов и параметров при открытой разработке месторождений комплекс
ных руд позволяет:
существенно повысить полноту использования минерального сырья и недр в целом;
значительно снизить (в 1,5-2 раза) капитальные и эксплуатационные затраты, сроки строительства и реконструкции рудных карьеров;
исключить транспортировку кондиционной руды на переработку;
существенно повысить производительность труда на рудных карьерах.
9 Реализация результатов исследований и разработок:
Рекомендации по использованию прогрессивной технологии открытой добычи руд и их внутрикарьерной переработке учтены ответственными специалистами ОАО «Забайкалстальинвест» при разработке технико-экономического обоснования постоянных кондиций на титаномагнетитовые руды Чинейского месторождения.
Основные научные и практические результаты выполненных исследований используются в учебном процессе Горного института ЧитГУ по специальности «Открытые горные работы» при чтении лекций и проведении практических занятий по учебным дисциплинам «Технология и безопасность взрывных работ», «Горные машины и механизмы», а также при дипломном и курсовом проектировании.
Апробация работы. Основное содержание диссертационной работы и ее отдельные положения докладывались на IV международной научной конференции «Физические проблемы разрушения горных пород» (г. Москва, 2004 г.), научном симпозиуме «Неделя горняка - 2004» (г. Москва, 2004 г.), научном симпозиуме «Неделя горняка - 2002» (г. Москва, 2002 г.), I международной конференции «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр» (Москва 2002 г.), X международной конференции «Технология, оборудование и сырьевая база горных предприятий промышленности строительных материалов» (Минск, 2002 г.), IV международном симпозиуме «Геологическая и минерагеническая корреляция в сопредельных районах России, Китая и Монголии» (Чита 2001 г.), научном симпозиуме «Неделя горняка - 2001» (г. Москва, 2001 г.), I международной конференции «Забайкалье на пути к устойчивому развитию: экология, ресурсы, управление» (г. Чита, 2000 г.), межрегиональной научно-технической конференции «Новый век — новые открытия» (г. Чита, 2001 г.), ежегодных научно-технических конференциях Горного института (г.Чита, 2000-2003 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, получено 2 патента и 1 положительное решение ФИПС на выдачу патента РФ на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, 110 библиографических источников и содержит 130 страниц, включая 15 таблиц и 20 рисунков.
Основное содержание работы.
Во введении обосновывается актуальность диссертационных исследований, сформулированы цель и задачи исследования, определена научная новизна и практическая значимость.
В первой главе «Современное состояние проблемы открытой разработки рудных месторождений скального типа» обобщены и проанализированы сведения о применяемых технологиях открытой разработки рудных месторождений скального и полускального типа, технологических решениях заложенных в проекты, а также ранее выполненных исследованиях в этой области. Рассмотрено состояние минерально-сырьевой базы Каларо-Удоканского рудного района и дана исходная типизация руд Чинейского ме-. сторождения.
Во второй главе «Обоснование прогрессивной технологии открытой разработки месторождений комплексных руд» выявлены основные тенденции развития современного карьерного оборудования и выполнен их анализ, дано технологическое обоснование прогрессивной технологии открытой разработки месторождений комплексных руд скального типа, ее структура и последовательность реализации технологических решений, предложена конструкция буровзрывного агрегата, совмещающего функции бурения, заряжания, забойки и укрытия взрываемого массива.
В третьей главе «Рациональные методы и параметры управляемого взрывания скальных горных пород для реализации прогрессивной технологии открытой разработки рудных месторождений» определены основные направления в достижении управляемого взрывания горных пород, выявлены
особенности их взрывания под локально-мобильным укрытием, выполнено обоснование целесообразности рыхления горных пород взрыванием зарядов малого и весьма малого диаметра, экспериментально установлены рациональные параметры взрывания горных пород зарядами малого и весьма малого диаметра, предложена эмпирическая зависимость для определения массы щитового укрытия.
В четвертой главе «Технико-экономическое и социально-экологическое обоснование рациональных технологических схем открытой разработки месторождений комплексных железосодержащих руд» предложена конструкция и обоснована целесообразность введения в призабойное пространство мобильного подготовительно-обогатительного комплекса, разработаны рациональные технологические схемы открытой разработки для условий Чинейского месторождения, предложена усовершенствованная методика сравнительной оценки эффективности технологий открытой разработки месторождений комплексных руд, выполнена технико-экономическая оценка эффективности применения прогрессивной технологии открытой разработки на примере Чинейского месторождения.
В заключительной части диссертации содержатся основные выводы и результаты работы.
Обобщение отечественной и зарубежной практики разработки рудных месторождений открытым способом
Как известно, большинство рудных месторождений представлено в основном скальными и полускальными горными породами, требующими предварительного рыхления. Возросшие технологические, экологические и социальные требования к разработке таких месторождений предопределили появление на открытых разработках новых классов и типов горного оборудования, предназначенного для механического рыхления горных пород крепостью до 10-12 по шкале М.М. Протодьяконова [9,12, 34, 57, 61,100]. Однако в обозримом будущем в мировой практике использование энергии взрыва останется единственным универсальным и наиболее эффективным способом разрушения больших объемов крепких горных пород при массовых взрывах и проведении выработок [35]. Являясь первоначальным звеном в технологической цепочке добычи полезных ископаемых, взрывные работы предопределяют эффективность последующих процессов: экскавации, транспортирования, дробления и измельчения на дробильной фабрике. Особенно важным это становится при разработке сложноструктур-ных месторождений полезных ископаемых, где имеет место значительное перемешивание пустых пород и руд различной крепости и ценности, что требует применения специальных методов ведения буровзрывных работ и селективной выемки [73].
Буровзрывные работы оказывают весьма существенное влияние на эффективность основных процессов добычи, первичной переработки полезных ископаемых и на основные параметры карьера. С улучшением качества дробления пород на карьерах значительно повышаются производительность погрузочно-транспортных средств, а также производительность и коэффициент использования дробильного оборудования на фабриках. В частности, при уменьшении среднего диаметра куска во взорванной горной массе с 350 до 200 мм часовая производительность экскаватора на железорудных карьерах Кривбасса возросла в 1.5 раза, а производительность дробильной фабрики - на 30% [55]. Выпускаемые в настоящее время отечественными заводами и широко применяемые на карьерах шарошечные станки с буровым инструментом диаметром 190...243; 256; 320 мм обеспечивают высокую производительность бурения (до 80... 120 м в смену) и большой выход горной массы с 1 м скважины (40...110 м ). Однако шарошечные станки предназначены в основном для бурения вертикальных скважин среднего (190...230 мм), большого (240. 275 мм) и весьма большого диаметра (325 мм и более), что соответствует далеко не всем горно-геологическим условиям эксплуатации месторождений [44, 45, 57, 64, 65].
Причем определилась тенденция к постепенному увеличению мощности станков шарошечного бурения и диаметра бурового инструмента. На некоторых карьерах как вспомогательное оборудование применяются станки пневмоударного бурения скважин малого и небольшого диаметров (105...125 и 150.. 160 мм). Однако они обладают сравнительно низкими технико-экономическими показателями и в силу этого не конкурентоспособны даже в условиях эксплуатации малых карьеров. Производительность станков пневмоударного бурения составляет порядка 300...500 м обуренной горной массы в смену, а станков шарошечного бурения - 1200. 1700 м3 в смену [13, 36, 44]. В настоящее время на отечественных карьерах около 94...95 % годового объема бурения выполняется станками для бурения скважин диаметром 200...300 мм и лишь 5. 6 % - станками для бурения скважин диаметром 105...165 мм [1,44, 57]. На зарубежных карьерах, эксплуатирующих скальные месторождения руд, основными видами бурения являются вращательное (шарошечное), ударно-вращательное (погружными пневмоударными и бурильными машинами с выносными ударными узлами при независимом вращении бура) и ударное (колонковые буровые молотки тяжелого типа). Применение нескольких способов бурения (угол наклона скважин изменяется от 0 до 360) предопределило большое разнообразие диаметров бурового инструмента (от 42 до 460 мм). Максимальный объем буровых работ осуществляется шарошечными станками бурения при наиболее характерном диаметре скважин: 250...320 мм. Станки шарошечного бурения развивают высокую производительность: до 120 м в смену — по породам крепостью 12 (по шкале проф. М.М. Протодьяконова) [4, 45]. Удельный вес пневмоударного бурения на зарубежных карьерах, применяемого в основном на добычных и вспомогательных работах, составляет 15...20 %. Получившие наибольшее применение самоходные станки пневмоударного бурения позволяют бурить направленные скважины диаметром 230; 150...230 и 105...ПО мм. Производительность станков пневмоударного бурения составляет в среднем: в крепких породах - 18...45 м/смену (при d = 155...175 мм); в породах средней крепости - 50...100 м/смену (при d = 155...175 мм) и 54...106 м/смену (при d = 105...230 мм); в породах ниже средней крепости до 100...110 м/смену (при d = 175 мм) [57, 69]. В США, Канаде и Великобритании на некоторых карьерах применяются станки комбинированного бурения скважин диаметром 130...320 мм шарошечными долотами и погружными пневмоударниками [4]. Сравнительно широкое распространение на зарубежных карьерах при добыче руд и строительных материалов получили самоходные установки с тяжелыми бурильными машинами ударно-вращательного и вращательного действия, в том числе и с гидроударниками для бурения направленных скважин малого диаметра 42... 127 мм.
В зависимости от крепости и трещиноватости пород производительность таких машин изменяется в пределах 45...150 м в смену. Однако имеются примеры и более высокой производительности (до 220...330 м в смену при d = 64...76 мм) [90, 91]. За рубежом все большее внимание уделяется применению многомашинных станков, позволяющих бурить направленные скважины различного диаметра в диапазонах 50 .90; 64..102 и 70 .127 мм и с высокой производительностью (до 420...480 м в смену по породам средней крепости) [7]. В настоящее время применяется, главным образом, технология добычных работ, основанная на совместных методах взрывания полезных ископаемых (главным образом руд) и пород и простейшей раздельной их экскаваторной выемки. И лишь в небольшом объеме (4...6 %), в частности, при добыче руды на карьерах малой производительности, она осуществляется с применением методов раздельной отбойки руд и пород, включая и выборочное взрывание одиночными скважинами среднего и большого диаметров (190...250 мм). При этом следует отметить, что раздельное взрывание руд, как правило, используется наряду с методами совместного взрывания [64, 65, 72, 95]. В частности, в небольшом объеме оно применялось на Вишневогорском, Белогорском, Кургашинканском, Тишинском, 17 Солнечном карьерах и на карьере Северная Плавиковая гора (выборочное взрывание) и т.д. И лишь на весьма небольшом числе карьеров вся рудная масса добывалась с применением раздельных методов отбойки [76, 86, 101].
Обоснование прогрессивной технологии открытой разработки месторождений комплексных руд скального типа и ее структура
Для условий открытых разработок, и в частности железорудных карьеров, значительное повышение эффективности добычных работ, как качественно, так и количественно возможно на основе снижения среднего размера куска в развале взорванных пород до 40-80 мм. Практическая реализация этого на большинстве рудных карьеров пока не представляется возможной вследствие значительного расхода ВВ, объемов буровых работ и в целом затрат на БВР. Однако совершенствование технологий БВР, появление новых ВВ и средств взрывания позволят передовым предприятиям значительно повысить степень дробления горной массы после БВР и тем самым поднять не только производительность выемоч-но-погрузочного оборудования, но и в целом эффективность добычи и последующей переработки ПИ. Так, в настоящее время значение оптимального размера куска при сочетании процессов бурения, взрывания, экскавации, транепорти Сочетания технологических процессов горно-оСогатнтельного производства: БВЭ - бурение, взрывание, экскавация; БВЭТ - то же и транспортировка; БВЭТД - то же и механическое дробление; БВЭТДИ - то же и измельчение Рис. 2.5 Значение оптимального размера куска при сочетании технологических процессов ровки, дробления и измельчения составляет 50...60 мм, в то время как для сочетания бурения, взрывания, экскавации - в 4.5..,5 раз больше (рис. 2.5).
Исторически сложилось так, что ведущим звеном, определяющим основные технологические параметры открытой геотехнологии, являются вы-шочно-погрузочные работы. Однако, современные экономические, технологические и организационные требования, предъявляемые к разработке месторождений открытым способом, ставят под сомнение однозначность такого решения. В частности, в условиях открытой разработки сложноструктурных рудных месторождений скального типа, ведущим звеном, определяющим основные параметры карьера (высоту уступа, ширину рабочей площадки, углы откосов уступа и борта карьера и т.д.) и эффективность всей технологической цепочки будут являться буровзрывные работы, базирующиеся на технологии послойного взрывания горных пород горизонтальными зарядами ВВ малого и весьма малого диаметра под локально-мобильным укрытием. Обоснование целесообразности рыхления горных пород взрыванием зарядов малого и весьма малого диаметра приведено в главе 3 данной работы. При массовых взрывах с использованием вертикальных или наклонных скважинных зарядов большого диаметра взрывание производится обычно на две свободные поверхности: откос уступа и плоскость верхней площадки уступа. Именно этиL две поверхности и определяют направление движения горной массы оря взрыве. Разрушенная энерги- Рис. 2.6 Схема трансформации структуры массива при „т, проведении массового взрыва ей разложения В В горная масса имеет возможность двигаться в вертикальном и горизонтальном направлениях. Вертикальное расположение взрывных скважин обеспечивает более интенсивное движение горной массы в горизонтальном направлении. Под действием силы тяжести горная масса падает на горизонт и образует развал (рис. 2.6).
Геометрия внутренней структуры развала рассчитывается через его основные геометрические параметры: высоту и ширину. Причем, изменение ширины развала оказывает большее влияние, чем высота. Связано это с тем, что основная деформация структуры добычного блока происходит в горизонтальном направлении. При этом трансформация структуры массива может принимать такой вид, что результаты сопровождающей эксплуатационной разведки потеряют свою значимость. Сохранение первоначальной геологической структуры массива при взрывании горизонтальными шпуровыми зарядами малого диаметра под мобильным укрытием в совокупности с сопровождающей эксплуатационной разведкой позволяет перейти на качественно новый уровень ведения глубокой селективной выемки. Геолого-математическое прогнозирование количества и качества руд в плане и вглубь месторождения, его участков или рудных тел (включающее геологическое, геометрическое, корреляционное и т.д.) в общем плане позволяет эффективно планировать добычу руд и развитие горных работ, а при выраженных границах рудных тел и значительной их протяженности - и для выявления морфологии, элементов залегания и параметров рудных тел. В частности, для оценки железотитанованадиевого оруденения Чинейского месторождения, имеющего объемные границы рудных тел и вмещающих пород, необходимо применять корреляционное прогнозирование. Для руд этого месторождения была установлена тесная корреляционная зависимость объемной массой руды от содержания общего железа. Уравнение регрессии имеет вид: у = 2.505 + 0.045 С (2.1) где С - содержание железа общего, %. Коэффициент корреляции данной зависимости составил 0,8. Между полезными компонентами также были отмечены тесные корреляционные связи. Так через рудное тело 66 по скважине 97 отмечены следующие корреляционные зависимости содержания полезных компонентов от содержания железа общего (рис 2.7).
Такие же тесные корреляционные связи наблюдаются практически по всем рудным телам, слагающим месторождение. Одним из достоинств технологии взрывания горизонтальными сква-жинными зарядами под мобильным укрытием является то, что в процессе бурения по уменьшенной сетке шпуров (0.5x0.5..Л.5x1.5 м) возможно проводить параллельную сопровождающую эксплуатационную разведку. В частности, для условий Чинейского месторождения можно применить метод попутной каротажной съемки, успешно используемой на многих горнодобывающих предприятиях, что при использовании корреляционного прогнозирования даст практически полную картину геологического строения эксплуатационного блока. В свою очередь это позволяет выделить локальный объект непосредственной выемки - выемочный элемент - отдельную часть блока, особенности пространственного положения, морфология и параметры которого предопределяют метод его раздельной отработки. Однако при ведении раздельной селективной выемки рудной массы из взорванного массива экскаваторами типа ЭКГ происходит неизбежное падение производительности машины практически в 1.5-2 раза.
Кроме этого, ведение глубокую раздельной выемки такими машинами, особенно больших типоразмеров, не представляется возможным. Наиболее рациональным в данном случае будет внедрение экскаваци-онных машин послойно-порционного копания [73, 79], позволяющих вести глубокую селективную выемку без потерь производительности (учитывая мелкокусковой характер взорванной горной массы). Характерные особенности этого способа заключаются в следующем: отработка блока ведется сверху вниз, слой за слоем; при этом сводится к минимуму перемешивание полезного ископаемого с породой вследствие подработки и обрушений, имеют место лишь обрушения локального характера в пределах выемочного слоя; послойно-порционный способ выемки характеризуется большой глубиной дифференциации горной массы, пределом которого является порция - элемент разового черпания. Использование послойно-порционного способа выемки совместно с технологией взрывного разрушения под укрытием создает благоприятные условия для максимального сокращения качественных и количественных потерь. Кроме того, становится возможным осуществление глубокой промышленной дифференциации руд и пород по типам и сортам. При этом взорванный рудный массив расчленяется на множество объемных элементов, параметры которых определяются шириной кромки ковша и физико-механическими свойствами взорванного рудного массива. В зависимости от геологических особенностей месторождения могут быть использованы следующие основные методы послойной отработки рудного массива: 1. Послойно-избирательный, при котором раздельная выемка руд и пород осуществляется в последовательности, строго ориентированной относительно контуров рудного тела (рис. 2.8);
Особенности взрывания горных пород под локально-мобильным укрытием
Основы технологии взрывания горизонтальными скважинными зарядами под локальным мобильным укрытием были заложены в ИГД ДВО РАН. Проведенными там теоретическими исследованиями с созданием двухмерной математической модели была доказана возможность создания демпфирующего щита, способного поглотить существенную часть кинетической энергии взрывного импульса [102]. При этом было установлено, что вертикальная и горизонтальная секции щита получают существенно различную нагрузку при взрыве скважинных зарядов, при этом секция щита, расположенная по оси скважины, воспринимает почти в четыре раза большую энергию, чем секция, расположенная у устья скважины (рис 3.1). Это дало предпосылки перехода на применение метода взрывания горизонтальными скважинными зарядами, поскольку именно в верхней, горизонтальной секции имеется возможность наращи- На степень дробления горных пород под демпфирующим щитом оказывает влияние, прежде всего, коэффициент полезного действия взрыва, кинематические характеристики (скорость нагружения, интервал замедления, направление детонации, наличие отражающих поверхностей), удельный расход ВВ и т.д. Как уже было отмечено, прямое изменение удельного расхода позволяет управлять энергией взрыва в весьма ограниченных пределах. Повышение к.п.д. взрыва (наиболее действенное средство повышения степени дробления) связано с изменением параметров волн напряжений: максимального напряжения на фронте, импульса взрыва, энергии волны и т.д.
Первичное поле напряжений формируется под действием прямых волн сжатия от заряда к открытой поверхности. Вторичное поле напряжений — отраженной от свободной поверхности волной сжатия, трансформирующейся в волну растяжения. Эти поля раскрывают микротрещины в массиве и формируют новые, а продукты детонации довершают процесс. Было установлено, что от горизонтальной секции щита отражается до 25% энергии волн напряжений, от вертикальной секции - порядка 12% [102]. Слой раздробленной породы взрывом верхнего ряда зарядов ВВ служит отражающей поверхностью для волн напряжения и до 25% энергии отражается в массив следующего взрываемого слоя, а также выполняет функции дополнительного демпфера т.е. работа щита при взрыве последующих слоев горных пород будет протекать во все более благоприятных условиях, поскольку уровень энергии воздействия заряда второго слоя на верхнюю раму щита существенно снижается (за счет поглощения взорванным первым слоем) (рис. 3.1). Отсюда, появляется возможность увеличения диаметра горизонтальных (слабонаклонных) скважин от верхнего ряда скважин (50 мм) к нижнему ряду (105 мм). При этом мощность каждого следующего слоя (ЛНС) возрастает пропорционально массе пригрузки от вышележащих слоев. Взрываемый блок отделяется от массива методом предварительного щелеобразования (объем бурения при этом возрастает в 2 раза). Прогнозируемый средний размер куска в результате взрыва составит не более 200 мм, коэффициент разрыхления горной массы - не более 1.05, что предопределяет существенное сохранение первоначальной геологической структуры массива.
Мобильное укрытие с демпфирующим щитом монтируется на ходовой тележке экскаватора типа ЭКГ-5. Масса горизонтальной демпфирующей секции щита с линейными размерами 5x20 м составила по результатам численных исследований 16 тонн. Выемочное оборудование — экскаватор или колесный погрузчик. Расчетами установлено, что комплекс оборудования, состоящий из мобильного укрытия, зарядной и буровой установок по своей стоимости сопоставим с экскаватором ЭКГ-8И [101, 103]. 3.3 Обоснование целесообразности рыхления горных пород взрыванием зарядов ВВ малого и весьма малого диаметра под локально-мобильным укрытием Необходимость использования на рудных карьерах методов рыхления горной массы зарядами ВВ малого и весьма малого диаметра под локально-мобильным укрытием определяется: 1. Необходимостью обеспечения высокой достоверности эксплуатационной разведки при отбойке сложных рудных тел. С уменьшением размеров рудных тел необходимо сгущать интервал их опробования. Сгущение сетки возможно только при соответствующем уменьшении диаметра, в противном случае оно нецелесообразно как по экономическим причинам, так и в связи с неизбежным ухудшением дробления пород. 2. Условиями соблюдения принципов экологической и социальной безопасности при ведении взрывных работ в условиях карьера. Массовые взрывы в карьере ведут к неизбежным простоям мощностей на период его производства, а при взрывах на нижних горизонтах глубоких карьеров (особенно в зимний период) — и на проветривание атмосферы карьера. Взрывание зарядами ВВ малого и весьма малого диаметра под локальным укрытием позволит значительно снизить объемы пылегазовых выбросов и сократить размеры опасной зоны до 30 м 3. Условиями качественной отбойки руд с сохранением геолого- морфологической структуры взорванного массива с целью их селективной добычи по сортам и типам. Выемочная мощность извлекаемых рудных тел зависит от ценности руд и для большей части месторождений ее минимальный предел равен 1 м. Ввиду того, что каждому диаметру скважин в общем случае соответствует довольно определенный радиус разрушения (в среднем 30-40 d3), при раздельной отбойке необходимо соблюдать соотношение между мощностью рудного тела и диаметром скважин.
Взрывание под укрытием позволяет максимально сохранить структуру взорванного массива, что создает благоприятные условия для ведения селективной выемки. 4. Необходимостью обеспечения требуемого качества дробления пород при использовании погрузочного оборудования с небольшой емкостью ков шей. Одним из условий качественной селективной разработки таких руд является малая высота уступа и малая емкость ковша экскаватора. В данном случае, наряду с обеспечением качественной раздельной отбойки необходимо производить дробление горной массы соответственно емкости ковша экскаватора. 5. Возможностью внедрения на карьерах для транспортировки скаль ных горных пород высокотехнологичного конвейерного транспорта. В настоящее время использование конвейерного транспорта на таких карьерах не представляется возможным без передвижных или самоходных дробильно-сортировочных агрегатов, которые имеют и существенные недостатки, ограничивающие широкое применение этого вида транспорта.. 6. Снижением затрат на обогащение, путем исключения из технологи ческого цикла операций крупного, а в некоторых случаях, и среднего дроб ления. На обогатительных фабриках стоимость процесса дробления и измельчения руды составляет от 35 до 70% от расходов на весь цикл обогащения, а стоимость дробильных установок достигает 60% от стоимости оборудования фабрики. Качественное дробление горной массы взрывом в забое позволит соблюдать принцип «не дробить ничего лишнего».
При взрывании вертикальных скважинных зарядов большого и среднего диаметра по расширенной сетке происходит переизмельчение в ближней зоне и разрушение по естественным отдельностям в зоне нерегулируемого дробления [49]. В связи с этим возникает потребность в уменьшении диаметра взрывных скважин с 270-450 мм до 75-90 мм. Необходимость этого при рациональном размещении таких скважин также подтверждают и лабораторные опыты Б.Р. Ракишева [24]. На одинаковых приведенных расстояниях диаметр среднего куска растет пропорционально масштабам взрыва. Поэтому для достижения более качественного дробления с ростом масштабности взрывов надо не увеличивать, а уменьшать диаметр скважин, несоблюдение этого условия и обуславливает непрерывное повышение удельного расхода ВВ. При малом диаметре скважин в массиве реализуются высокие скорости нагружения горных пород при уменьшении длины волны, что обеспечивает развивающимся трещинам скорость волн Релея и на этой основе — улучшение качества дробления. Следовательно, на глубоких карьерах снижение диаметpa скважин является необходимым условием успешного ведения взрывных работ, В естественных условиях все массивы горных пород разбиты трещинами различного направления, ширины и частоты.
Установление рациональных технологических схем открытой разработки Чинейского месторождения комплексных руд
Определенным условиям отработки месторождений должна соответствовать эффективная технологическая схема, представляющая собой рациональную комбинацию основных процессов и технических средств открытых горных работ и переработки полезных ископаемых. На современном этапе рациональным для рудного месторождения типа Чинейского являются такие технологические схемы, реализация которых позволит в полной мере реализовать прогрессивную технологию его освоения и тем самым обеспечить: повышение прибыли при уменьшении капитальных затратах, увеличении полноты выемки полезного ископаемого из недр и более полном извлечении полезных компонентов, а также минимальном ущербе наносимом окружающей среде. Кроме этого немалое значеіпіе имеет и гибкость технологических схем позволяющая оперативно адаптироваться к изменяющимся горногеологическим и социально-экономическим условиям. Исходя из этого, нами определен комплекс рациональных технологических схем, которые могут быть эффективно использованы при освоении таких рудных месторождений как Чинейское месторождение комплексных ти-таномагнетитовых ванадийсодержащих руд (рис. 4.2,4.3).
Технологические схемы представленные на рис. 4.2 подразумевают их использование в тех случаях, когда весь объем кондиционной рудной массы подлежит обогащешно на внутрикарьерных мобильных подготовительно-обогатительных комплексах. Такие схемы могут найти свое применение как на стадии опытного карьера и на начальных этапах освоения месторождения, так и на всей продолжительности освоеігая месторождения. Рациональность продолжительности использования такой схемы устанавливается на основе технико-экономического расчета с использованием методики, приведенной в разделе 43. В составе рассматриваемой технологической схемы имеют место сле дующие решения. На вскрышных работах, как ведущее звено, определяющее основные параметры карьера (высоту уступа, ширину рабочей площадки, уг лы откосов уступа и борта карьера и т.д.) и эффективность всей технологиче ской цепочки, используется технология послойного взрывания горных пород горизонтальными зарядами ВВ малого и весьма малого диаметра под локаль но-мобильным укрытием. Получаемый компактный развал вскрышных или вмещающих пород разрабатывается валовым способом экскаватором типа ЭКГ-5А или гидравлическим экскаватором ЭГ-4. Из забоя выходит один грузопоток вскрышных пород, направляемый в отвал пустых пород. На добычных работах также используется технология послойного взрывания горных пород под локально-мобильным укрытием. В результате взрыва образуется компактный развал мелкокусковой горной массы с сохраненной геолого-морфологической структурой, что позволяет с высокой эффективностью вести его избирательную раздельную разработку. Выемка ведется экскаватором послойно-порционного копания, позволяющем вести разработку с низкими количественными и качественными потерями при сохранении достаточно высокой производительности.
При этом производится разделение руд по категориям, типам и сортам. Кондиционная руда грузится экскаватором на ленточный конвейер, транспортирующий ее к минерально-подготовительному агрегату или непосредственно в его приемный бункер. Временно некондиционная горная масса поступает в спецотвал, а вмещающие породы — в отвал пустых пород. Получаемые в условиях Чинейского месторождения конечные продукты обогащения направляются: железо-титано-ванадиевый концентрат - потребителю на металлургический передел, хвосты магнитной сепарации - в хвостохранилище. Достоинством данной схемы является то, что она позволяет получать прибыль от реализации концентрата уже на строительства карьера и избежать значительных капитальных вложений на строительство стационарной обогатительной фабрики. Однако, в условиях разработки сложнокомплекс-ных руд, когда эффективная схема их обогащения не позволяет ввести в при-забойное пространство все необходимое оборудование технологической цепочки обогащения, разработка будет связана со значительными потерями полезного компонента в хвостах обогащения. Но в некоторых случаях (недостаток материальных ресурсов, сложные горно-технические условия разработки и т.д.), такая ситуация будет вполне оправдана. Технологические схемы, представленные на рис. 4.3, подразумевают их использование в тех случаях, когда весь объем кондиционной рудной массы подлежит первичному обогащению на внутрикарьерных мобильных подготовительно-обогатительных комплексах, хвосты обогащения отправляются на доизвлечение полезного компонента на стационарную или полустационарную обогатительную фабрику. Такие схемы могут найти свое применение в случаях, когда на начальной стадии освоения месторождения, с целью получения прибыли, обогащение производилось с использованием внутрикарьерных мобильных подготовительно-обогатительных комплексов. При этом хвосты обогащения складируются в спецотвал и ведется строительство обогатительной фабрики. Такая технологическая схема целесообразна в условиях разработки месторождений сложнокомплексных руд. В период строительства обогатительной фабрики кондиционные руды перерабатываются на внутрикарьерных мобильных подготовительно-обогатительных комплексах, хвосты обогащения, содержащие полезные компоненты в количестве, делающем их повторную переработку прибыльной, отправляются в хвостохранилище, формируя тем самым техногенное месторождение.
По завершению строительства фабрики, внутрикарьерные мобильные подготовительно-обогатительные комплексы не исключаются из технологической цепочки, а работают последовательно с ней. Хвосты обогащения от подготовительно-обогатительных комплексов направляются на доизвлечение полезных компонентов на обогатительную фабрику. Параллельно с этим отрабатывается и образованное хвостами обогащения (накопленными в период строительства фабрики) техногенное месторождение. Достоинством данной схемы является то, что она, как и в предыдущем случае, позволяет получать прибыль от реализации концентрата уже на стадии строительства карьера, часть которой направляется на строительство обогатительной фабрики. Кроме этого, отсутствие надобности в цехах дробления и измельчения позволят избежать значительных финансовых затрат (стоимость процесса дробления и измельчения руды составляет от 35 до 70% от расходов на весь цикл обогащения, а стоимость дробильных устройств достигает 60% от стоимости оборудования фабрики). 4.3 Усовершенствование методики сравнительной оценки эффективности технологии открытой разработки месторождений комплексных руд. Для оценки эффективности технологических схем и прогрессивной технологии разработана соответствующая методика, основные составляющие которой приводятся ниже. Главное принципиальное положешіе технико-экономической оценки заключаются, прежде всего, в установлении эффективности разработки всего месторождения, а не отдельных его участков. При этом необходимо учитывать все существенные факторы, определяющие эффективность работы горного предприятия на всех стадиях освоения месторождения. Интегральная эффективность полного использования минеральных ресурсов месторождения или любого минерального объекта (Эосв):
