Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современного состояния и направлений развития комбинированного способа разработки рудных месторождений 11
1.1. Горно-геологические и геомеханические особенности медноколчеданных месторождений Урала 11
1.2. Опыт комбинированной разработки месторождений и способы управления состоянием прикарьерного массива при подземной добыче руд 27
1.3. Факторы, влияющие на геомеханические процессы при разработке запасов за предельным контуром карьера 32
1.4. Методы расчета конструктивных параметров элементов систем разработки переходных зон и устойчивости борта карьера при подработке ., 37
1.5. Основные тенденции развития комбинированного способа разработки и оценки экономической эффективности технологических решений 49
1.6. Цель, основные задачи и методы исследований 56
Выводы 58
2. Принципы формирования технологических схем освоения запасов переходных зон при комбинированной разработке медно-колчеданных месторождений 61
2.1. Классификация запасов переходных зон при комбинированной разработке медноколчеданных месторождений 61
2.2. Способы управления состоянием массива при отработке переходных зон месторождения 63
2.3. Классификация технологических схем освоения запасов переходных зон 65
2.4. Методические основы проектирования технологических схем 70
Выводы 76
3. Оценка влияния подземных работ на закономерности геомеханических процессов в прикарьерном массиве 77
3.1. Особенности прочностньк и деформационных характеристик горного и искусственного массивов в зоне влияния открытых и подземньк выработок 77
3.2. Результаты натурных замеров первичного и вторичного полей напряжений в прикарьерных массивах и их влияние на проектирование подземной и комбинированной геотехнологий 89
3.3. Закономерности формирования вторичного поля напряжений под влиянием карьерной выемки 104
3.4. Влияние параметров комбинированной геотехнологии на напряженное состояние горной конструкции 114
3.5. Факторная оценка деформаций массива и устойчивости выработок в прикарьерной зоне ..137
Выводы 152
4. Технология формирования композитных искусственных массивов в переходной зоне 155
4.1 . Разработка способа возведения композитного закладочного массива 155
4.2. Обоснование состава закладки и технологии возведения композитного закладочного массива из сухой породной и твердеющей закладки 157
4.3. Технологические схемы отработки запасов переходных зон с возведением композитных искусственных массивов 170
4.4. Обоснование нормативной прочности композитного закладочного массива 175
Выводы 179
5. Технология сернокислотного выщелачивания колчеданных руд в переходных зонах месторождений 181
5.1. Анализ условий и возможности применения методов подземного выщелачивания для отработки запасов переходных зон месторождений 181
5.2. Факторы, влияющие на эффективность физико - химических методов освоения колчеданных месторождений 185
5.3. Закономерности выщелачивания богатых и бедньк колчеданных руд 190
5.4. Технологические схемы освоения запасов меднок.олчеданных руд за контуром карьера 195
Выводы 201
6. Разработка методики расчета параметров комбинированной геотехнологии 203
6.1. Оценка устойчивости массива борта карьера при выемке запасов переходной зоны .....203
6.2. Порядок и направление развития горных работ 214
6.3. Размеры целиков в борту карьера 226
6.4. Пролет и высота подработки бортов карьера 233
6.5. Высота пригрузки бортов карьера 235
6.6. Параметры рудных и искусственных целиков в основании карьера 237
6.7. Нормативная прочность закладочного массива 246
6.8. Параметры анкерного крепления подработанного массива борта 252
Выводы 258
7. Обоснование области рационального использования комбинированной геотехнологии и оценка экономической эффективности технологических решений 260
7.1. Анализ себестоимости технологических процессов комбинированной геотехнологии 260
7.2. Методика оценки экономической эффективности технологических решений по освоению запасов переходных зон 265
7.3. Технологические решения по выемке запасов переходных зон и их экономический анализ 271
7.4. Обоснование области эффективного применения комбинированной геотехнологии 289
7.5. Технологические рекомендации и оценка экономической эффективности применения комбинированной геотехнологии на Учалинском и Сибайском месторxждениях 293
Выводы 297
Заключение 299
Библиографический список 302
Приложение 1 ...317
Приложение 2 327
Приложение 3 340
Приложение 4 352
Приложение 5 357
Приложение 6 366
- Горно-геологические и геомеханические особенности медноколчеданных месторождений Урала
- Классификация запасов переходных зон при комбинированной разработке медноколчеданных месторождений
- Особенности прочностньк и деформационных характеристик горного и искусственного массивов в зоне влияния открытых и подземньк выработок
- Разработка способа возведения композитного закладочного массива
- Анализ условий и возможности применения методов подземного выщелачивания для отработки запасов переходных зон месторождений
Введение к работе
Достижение предельного контура большинством карьеров, разрабатывающих медноколчеданные месторождения Урала, которым принадлежит ведущее место в сырьевом балансе цветной металлургии России, предопределяет изыскание эффективных технологических решений по переходу на подземную разработку законтурных запасов. В бортах и основании карьеров глубиной 250 - 500 м остаются 25 - 40 % запасов балансовых руд. Крутое падение залежей на значительную глубину, их сложное геологическое строение, неправильные и выклинивающиеся на флангах формы, а также высокая ценность руды обусловливают применение комбинированного способа разработки.
Горно-геологические и геомеханические особенности медноколчеданных месторождений Урала
Определяющее влияние на выбор технологии освоения запасов за контуром карьеров оказывают горно-геологические и геомеханические условия залегания законтурных рудных залежей в массиве пород. Рассмотрим особенности геологического строения медноколчеданных месторождений Урала [1].
Учалинское медно-цинковое месторождение, разрабатываемое одноименными карьером и подземным рудником, представлено крупным линзообразным рудным телом (рис. 1.1), вытянутым в меридиональном направлении и имеющим крутое падение на запад (80-85 град). Длина залежи составляет 1400 м ,мощность колеблется от 2 до 170 м, глубина залегания достигает 460 м. Форма рудного тела в плане гантелеобразная, пережим в средней части мощностью 10-12 м разделяет залежь на северный и южный фланги. Месторождение приурочено к контакту альби-тофиров и миндалекаменных диабазов, превращенных гидротермальными процессами в серицитовые, хлорито-серицитовые и хлорито-кварцево-серицитовые породы.
Рудная залежь представлена сплошными сульфидными рудами (95 %) с коэффициентом крепости f = 1ІЧ-15. Вмещающие породы - диабазы, диабазовые пор-фириты, туфобрекчии с f = Ю-г-15. Руды и породы месторождения являются скальными и устойчивыми. Повышенное содержание меди приурочено к центральной части рудного тела, а максимальное содержание цинка сосредоточено на флангах. Дайки габбро-диоритовьк порфиритов мощностью от первых метров до 20-30 м простираются в северо-западном направлении с падением к северо-востоку под углом 60 - 80.
Учалинское месторождение формировалось в два этапа [2, 3]. Первый (синвулканический) этап (рис. 1.2) включал образование рудовмещающей вулкано-купольной постройки и последовательное субгоризонтальное отложение колчеданных руд гидротермально-осадочньм способом, сопровождаемое образованием под-рудных метасоматитов с вкрапленностью сульфидов, последующее перекрытие основной колчеданной залежи осадками и эффузивами и метасоматическое рудообра-зование под экраном перекрывающей толщи пород.
В период второго (деформационного) этапа в результате действия субгоризонтальных сжимающих сил меридионального и преимущественно широтного направлений произошли складчато-блоковые деформации, частичная регенерация вкрапленного оруденения, рудная залежь и вмещающие породы приобрели крутое падениє, метасоматиты крутопадающей зоны обогатились Си, Zn, Au, Ag в условиях интенсивной деформации толщ с последующим внедрением интрузивных тел. Высокие упругие и прочностные характеристики пород месторождения (коэффициент крепости по М.М. Протодьяконову достигает 18 - 20) и отсутствие ореола сланцеватых пород в висячем боку рудной залежи предопределило то, что породы месторождения сохранили естественное реликтовое состояние и подвержены действию тектонических остаточных сил. На наличие субгоризонтальных сжимающих тектонических напряжений, преимущественно субширотного направления, указывает складчатость пород, вытянутость рудного тела вдоль горного массива Уральского хребта, тектоническое происхождение систем трещин. Натурными замерами природного поля напряжений подтверждено действие в массиве тектонических сил [4].
Массив характеризуются чётко выраженной трещиноватостью. В большинстве случаев трещины заполнены кальцитом, гематитом, карбонатом, кварцем. Наиболее нарушены руды и породы вблизи контактов тектонических трещин, местами превращены в рыхлую массу. Прочность руд и пород в массиве характеризуется следующими показателями: ( =13,9-80,6 МПа, стр=4,2-15,6 МПа. Модуль упругости руд и пород Е=0,91 10 -9,81-Ю"4 МПа.
Открытая разработка месторождения в настоящее время практически завершена. Предельная глубина карьера составила 336 м. Угол откоса бортов - 40-46. Углы откосов уступов -33-37 на верхних горизонтах и 60-65 на нижних. Непосредственно к предельному контуру карьера прилегают значительные рудные объемы, из которых 80-85 % расположены в основании карьера, остальные, главным образом, в северном и в основании восточного бортов [5, 6].
Классификация запасов переходных зон при комбинированной разработке медноколчеданных месторождений
Анализ терминов, применяемых при определении запасов, подлежащих ком-эинированной отработке - "переходный горизонт" [130], "переходная зона" [131], приконтурные", "приграничные", "прибортовые", "придонные", "непосредственно законтурные" [132], показал отсутствие единообразия и однозначности трактовки. Учитывая существенное влияния месторасположения запасов относительно конту-эа карьера на выбор технологии и расчет конструктивных параметров элементов :истем разработки в соответствии с горным терминологическим словарем [133] и словарем русского языка В.И. Даля предлагаем следующую классификацию запасов [рис. 2.1).
Предельный контур (А) карьера (рис. 2.1а) разделяет запасы месторождения на запасы карьерного поля (1) и запасы шахтного поля (2). Запасы шахтного поля располагаются за предельным контуром карьера и относительно последнего являются законтурными. Законтурные запасы - запасы за предельным контуром карьера. В запасах карьерного поля выделяются приконтурные запасы (3). Приконтурные запасы - запасы, непосредственно примыкающие к предельному контуру со стороны карьера, отработка которых требует комплекса специальных мероприятий по обеспечению устойчивости бортов и безопасности ведения открытых работ в зоне злияния подземных.
Линия В определяет зону влияния прикарьерного пространства на напряженно-деформированное состояние массива и разделяет законтурные запасы на : при-шрьерные -находящиеся за контуром карьера в зоне влияния карьера на напряженно-деформированное состояние массива (4); удаленные от карьера (9) - залегаю-цие вне зоны влияния карьера и отрабатываемые по независимой от открытых ра-5от схеме, возможно совместное использование транспортных путей.
При выемке прикаръерных запасов необходимо осуществлять взаимоувязку шанов горных работ карьера и подземного рудника, при расчете параметров буровзрывных работ в подземных выработках следует учитывать влияние карьера, а при оценке устойчивости борта - сейсмическое влияние подземных взрывов. При обосновании параметров элементов систем разработки законтурных запасов следует учитывать возмущающее влияние карьера на напряженно-деформированное состояние массива и осуществлять проверку по фактору устойчивости сдвигу. а
Особенности прочностньк и деформационных характеристик горного и искусственного массивов в зоне влияния открытых и подземньк выработок
Применительно к проблеме обоснования параметров комбинированной геотехнологии для разработки медноколчеданных месторождений вопрос определения прочностных и деформационных характеристик горного и искусственного массивов приобретает особую актуальность и осложнен тем, что массив переходных зон находится в состоянии близком к предельному, испытывает ослабляющее влияние как открытых, так и подземных выработок. Поэтому в процессе исследования механических свойств массивов необходимо учитывать не только природную, но и техногенную нарушенность.
Для получения механических характеристик массива пород исследуемых месторождений в переходной зоне использовался комплексный метод, включающий испытания механических свойств образцов, переход на свойства породных массивов с помощью математических и физических моделей массивов, отражающих механической состояние массивов определенной структуры. Исследования по обоснованию свойств массива включали несколько этапов: определение свойств в образце, оценка структуры массива, переход на свойства массива, введение поправки на свойства массива переходной зоны.
Испытания механических свойств образцов проводили в лабораторных условиях по стандартным методикам [140,141]. Определение акустических характеристик пород производилось на импульсном ультразвуковом приборе УКБ-1М с датчиками ПШ-0.06-ПЭ-1 с частотой колебаний 60 кГц. Прочностные и деформационные характеристики пород устанавливались в режиме статического нагруже-ния на прессе ПСУ-125. Замеры деформаций образца в продольном и поперечном направлениях производились тензодатчиками ПКБ с базой 20мм при помощи тен-зоусилителя ТОПАЗ-3-01. Сопоставлением соответствующих значений акустических и прочностных характеристик образцов получены уравнения парной регрессии, связывающие механические и динамические характеристики литологических разностей пород, исследуемых медноколчеданных месторождений (табл. 3.1).
Учитывая значительную сложность и трудоемкость определения механических характеристик массива, особенно деформационных, и наличие тесной корреляционной связи между параметрами статических и динамических характеристик, приведенные в табл. 3.1, уравнения регрессии могут быть применены для получения по данным динамического прозвучивания массива значений механических характеристик для наиболее представительных литологических разностей исследуемых медноколчеданных месторождений.
Анализ упругих характеристик пород всех исследуемых месторождений показал, что они отличаются высокими значениями и, как следует из диаграмм "деформации-напряжения", ведут себя упруго в широком диапазоне нагрузок. В связи с высоким уровнем напряженности пород в переходной зоне была произведена оценка склонности их к динамическим формам проявления горного давления при нагружении. расчетами коэффициентов хрупкости, степени удароопасности, показателя удароопасности [142] установлено, что большая часть пород медно-колчеданных месторождений и медно-цинковые руды являются склонными к динамическим формам проявления горного давления. Это следует учитывать при обосновании способов управления состояния массива пород при выемке запасов переходных зон и обосновании устойчивости подрабатываемых бортов карьеров, чтобы избежать массовых деформаций откосов в неуправляемом динамическом режиме. Высокие значения модулей деформаций большинства пород исследуемых месторождений проявление упругих деформаций при нагружении в среднем до нагрузки, равной 70 % предела прочности, позволяет при оценке напряженно-деформированного состояния массива использовать уравнения теории упругости.
Разработка способа возведения композитного закладочного массива
Обобщение опыта комбинированной разработки месторождений, анализ деформаций массива и оценка устойчивости выработок в переходной зоне показали, что замена рудного массива искусственным наиболее полно обеспечивает выполнение требований безопасности горных работ и обеспечения устойчивости бортов карьера при нормативно допустимых деформациях под охраняемыми объектами. Однако, высокая стоимость возведения искусственного массива в результате многократного удорожания цены цемента при переходе к рыночной экономике непропорционального изменения цен на цветные металлы, привело к нерентабельности принятых в проекте решений по доработке запасов медноколчеданных месторождений Урала системами с твердеющей закладкой. На наш взгляд, одним из направлений повышения прибыльности освоения медноколчеданных месторождений является поиск путей сокращения затрат на возведение искусственного массива при сохранении показателей качества выемки запасов переходных зон, экологических требований, обеспечения безопасности работ и сохранения охраняемых объектов.
Как показали выполненные исследования фактической прочности закладочного массива Учалинского месторождения искусственные целики, возводимые в выработанном пространстве в прикарьернои зоне, имеют прочность меньше нормативной. При этом замерами фиксируется в целом невысокий уровень деформаций подработанного массива, значительно ниже критических величин. Этот факт объясняется тем , что закладочный массив не выполняет функции несущей конструкции, а лишь поддерживает за счет сил бокового распора вмещающие породы. Следовательно, возводимый в прикарьернои зоне искусственный массив, должен обеспечивать устойчивость обнажений при подработке и обладать необходимыми компрессионными свойствами, чтобы предотвратить подвижки борта. Таким образом, требования к формируемому закладочному массиву будут определяться двумя факторами - необходимостью обеспечения устойчивости его вертикальных и горизонтальных обнажений при подработке и нормативно допустимых деформаций поверхности. Для обоснования прочностных и деформационных характеристик формируемого искусственного массива исследованы параметры плотности и пустотности закладочной смеси и отдельные ее составляющие. Учитывая данные требования и необходимость снижения себестоимости твердеющей закладки нами предложена идея возведения в подземном выработанном пространстве композитных закладочных массивов путем одновременной подачи пород по раздельной схеме двух видов закладки -сухой породной и литой твердеющей (рис. 4.1). Для обеспечения горизонтальной устойчивости обнажений в основании камеры возводится несущий слой из твердеющей закладки повышенной прочности. Затем в выработанное пространство камеры раздельно подаются по одновременной схеме скальные породы и твердеющая смесь. Оптимизацией шихты из скальной породы достигаются высокие компрессионные характеристики в центре закладочного массива. За счет рационального месторасположения точек сброса породы относительно контура камеры и сегрегации кусков шихты по периферии выработанного пространства обеспечивается повышенная пустот-ность. Пустоты заполняются раствором литой твердеющей закладки с прочностными характеристиками, гарантирующими вертикальную устойчивость композитного закладочного массива.
Анализ условий и возможности применения методов подземного выщелачивания для отработки запасов переходных зон месторождений
Под подземным выщелачиванием применительно к извлечению полезного компонента из рудного тела понимают добычу цветных металлов, редких, рассеянных и других элементов посредством избирательного растворения и последующего извлечения образованных в зоне реакции химических соединений без формирования значительных пустот движущимся потоком растворителя, а также без массового движения вмещающих пород [171].
Метод основан на неравновесных химических реакциях «твердое тело-жидкость», на скорость которых преобладающее влияние, как правило, оказывает процесс транспортирования растворенного вещества с поверхности твердого тела в основную массу растворителя относится к фильтрационным процессам. Теоретической основой процесса выщелачивания служат законы диффузионной кинетики, подземной гидродинамики, а также химических превращений на границе жидкой и твердой фаз [172]. Однако до настоящего времени не существует законченной теории извлечения компонента из пористых тел. В зависимости от характера пористой среды выщелачивание носит различный характер. Если полезный компонент непосредственно омывается потоком выщелачивающего раствора, толщина диффузионной пленки очень мала и переход в раствор лимитируется лишь присутствием ионов выщелачивающего раствора. В этих условиях полное выщелачивание происходит за время, необходимое для подачи кислоты в количестве, достаточном для реакции ее с присутствующими в руде растворимыми минералами. Если же полезный компонент находится внутри монолитных кусков руды или в ультратонких порах, то перемещение выщелачивающего раствора и продуктов реакции происходит только за счет молекулярной диффузии. Глубина проникновения раствора в монолитные куски руды не превышает нескольких сантиметров.
Продуктом выщелачивания является продуктивный раствор, способ переработки которого зависит от состава раствора. Из растворов, полученных при выщелачивании медно-цинковых руд, медь извлекают цементацией или экстракцией с последующим электролизом, цинк - экстракцией или методами ионообмена, реже электролизом с получением горнодобывающим предприятием металлического товарного продукта.
Первое полезное ископаемое, к которому применялось выщелачивание - медь из медноколчеданных руд [171]. Сведения о древнем выщелачивании медных руд приводятся с 16 века [173]. Добыча меди из раствора медного купороса, получившегося в результате затопления залежи медносерных руд, с использованием железного скрапа велась в ХУ1 веке в Испании [174]. В 1985 году Джон Статтон применил аналогичный метод добычи в американском штате Теннеси [175].
В начале двадцатого века в США возникла идея дополнительного извлечения меди путем подачи воды в старые разрушенные рудники, которые не окупали затрат на дальнейшую эксплуатацию [173]. Развитие во время первой мировой войны гидрометаллургии, кучного выщелачивания позволило перейти от процессов саморастворения меди в рудничных водах к искусственному выщелачиванию меди. Для этого с поверхности подавалась вода с растворителем - раствором серной кислоты с сульфатом окиси железа. Эта идея развилась и опробывалась в США на нескольких рудниках: в 1919 г. - рудники Огайо, Бьютт, Коппер-Квин; в 1924 г. -рудник Капенея (Мексика). Метод оказался весьма рентабельным. За первые три года работы рудника Капенея было получено 4 тысячи тонн металлической меди, причем добыча стала в несколько раз дешевле обычной добычи и выплавки.
Для доработки законтурных запасов карьера подземное выщелачивание было применено в 1971 г. на руднике "Биг Майк" (штат Невада) [176]. В дне и бортах карьера остались около 475 тыс. т смешанных руд с содержанием меди 2 %. Из сульфидных минералов чаще всего встречался халькозин. При подготовке руды для выщелачивания руду раздробили массовым взрывом (скважины бурились в дне и бортах карьера. Было раздроблено 600 тыс. т. горной массы с размером куска до 230 мм. Перед выщелачиванием были проложены новые дороги и выровнены площадки орошения. Они были оборудованы перфорированными полиэтиленовыми трубами диаметром 50 мм. Расход реагента при разбрызгивании составил 0.8 м3/мин. Использовались водные растворы серной кислоты рН 1.5 - 2. Продуктивные растворы дренировали в основание карьера и оттуда выкачивались по скважинам. Орошение осуществлялось 1 раз в неделю.
