Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ технологических схем и технических решений разработки отечественных и зарубежных месторождений в зоне отрицательных температур 24
Глава 2. Оптимизация формирования закладочного ,массива путем математического моделирования процесса замораживания 55
2.1. Оптимизация формирования ледяного массива 56
2.2. Формирование льдопородного закладочного массива 70
Выводы 76
Глава 3. Лабораторные исследования формирования ледяного и льдопородного закладочного массива 80
3.1. Методика проведения лабораторных исследований формирования закладочного массива с применением хладагентов 80
3.2. Исследование применения простейших хладагентов при формировании ледяного и льдопордного закладочного массивов и результаты исследований 86
Выводы 92
Глава 4. Разработка новых технологических схем и оборудования для добычи крепких руд из тонких залежей способом выбуривания 97
4.1. Исследование сырьевой базы, отечественного и зарубежного опыта разработки тонких и маломощных месторождений 97
4.2. Технологические схемы отработки залежей малой мощности выбуриванием скважин большого диаметра 1
4.2.1. Бурошнековый сособ выемки тонких пластов руд средней крепости 113
4.2.2. Новые технологические схемы добычи крепких руд выбуриванием 120
4.2.3. Предложения по созданию новой техники для добычи крепких руд из
тонких залежей выбуриванием 130
4.2.4. Опытно-промышленные испытания технологии выбуривания крепких руд с
применением добычного комбайна КД800Э 141
4.3. Технико-экономическое обоснование ,отработки тонких залежей крепких
ценных руд выбуриванием скважин большого диаметра 154
Выводы... 157
Глава 5. Технологические схемы разработки маломощных месторождений 160
5.1. Анализ горно-технических и горногеологических условий маломощных месторождений цветных металлов 160
5.2. Технологические схемы разработки маломощных месторождений 166
Выводы 190
Глава 6. Технологические схемы разработки месторождений средней и большой мощности 192
6.1. Особенности разработки месторождений средней и большой мощности с закладкой выработанного пространства в условиях криолитозоны 192
6.2. Принципиальные технологические схемы отработки месторождений средней и большой мощности в условиях криолитозоны
6.2.1. Вариант сплошной слоевой системы разработки с льдопородной закладкой и восходящим порядком выемки слоев 195
6.2.2. Вариант камерной системы разработки с подэтажной отбойкой руды и льдопородной закладкой 205
6.2.3. Вариант этажно-камерной системы разработки с наклонным днищем 220
Выводы 223
Глава 7. Технологические схемы разработки россыпных месторождений подземным способом с ледяной и льдопородной закладкой выработанного
пространства 227
7.1. Системы разработки и особенности применения ледяной и льдопородной закладки при разработке
многолетнемерзлых россыпей 227
7.2. Разработка новых технологических схем добычи ценных песков россыпных месторождений в условиях криолитозоны 241
7.2.1. Принципиальная технологическая схема формирования льдопородного и ледяного закладочного массива с применением простейших хладагентов 243
7.2.2. Технологическая схема разработки россыпей с двухстадийной отбойкой песков 246
Выводы 253
Глава 8. Совершенствование технологических процессов при подземной добыче ценных руд и песков 256
8.1. Повышение эффективности добычи руды буровзрывным способом 256
8.1.1. Применение контурного взрывания при отработке маломощных рудных тел 256
8.1.2. Особенности электровзрывания и условия его эффективного применения... 260
8.1.3. Методика определения оптимального удельного заряда ВВ 266
8.2. Проходка горизонтальных горных выработок комплексом самоходного
оборудования 272
8.3. Управление горным давлением 280
8.3.1. Управление горным давлением созданием зон с различными реологическими свойствами 280
8.3.1.1. Поляризационно-оптический метод моделирования напряженного состояния горного массива с зонами различных реологических свойств 282
8.3.1.2. Экспериментальное исследование изменения напряженного состояния зоны разгрузки во времени 2
8.3.2. Методика расчета параметров крепи сопряжений горных выработок... 297
8.3.3. Испытания пневмобалонной крепи при сплошной системе разработки 306
8.4. Вентиляционные пеноперемычки 312
Выводы 316
Глава 9. Последовательность разработки выемочных участков рудных тел в условиях криолитозоны и экономическая целесообразность применения
Выводы 322
Заключение 323
Литература 331
- Анализ технологических схем и технических решений разработки отечественных и зарубежных месторождений в зоне отрицательных температур
- Оптимизация формирования ледяного массива
- Методика проведения лабораторных исследований формирования закладочного массива с применением хладагентов
- Исследование сырьевой базы, отечественного и зарубежного опыта разработки тонких и маломощных месторождений
- Анализ горно-технических и горногеологических условий маломощных месторождений цветных металлов
Введение к работе
В настоящее время 25% всей суши земного шара и около 64% территории России находится в условиях криолитозоны, то есть мерзлой зоне литосферы, характеризующейся отрицательной температурой (до минус 15С ), содержанием ледяных включений или кристаллов льда, толщью мерзлых горных пород с изотермической нижней границей 0С, достигающих мощности в несколько сотен метров (до 1500 метров) [1, 2, 3]. В этой зоне сосредоточены запасы ценных руд Au, Ag, Pt, Sn, W, Mo, Си, Zn, Pb, алмазов, редких земель, оптического кварца, угля, железа. Только запасы золота России, добыча которых может вестись подземным способом, составляют 56% (46% - рудные месторождения, 10% - пески россыпных месторождений) [4].
Тенденция развития добычи полезных ископаемых в районах востока и севера страны резко возросла в сороковые и пятидесятые годы и сохраняется в настоящее время. Однако добыча ценных руд в зоне многолетней мерзлоты подземным способом ведется по проектам 20-30-летней давности, главным образом системами с магазинированием руды, различными вариантами камерных и столбовых систем с потерями руды в недрах до 20 и более процентов и разубоживанием 40-50% во все ухудшающихся горно-технических и горногеологических условиях.
Повысить уровень производства с одновременнным сокращением нерентабельных предприятий в условиях рынка можно только за счет внедрения систем разработки, позволяющих значительно снизить потери и разубоживание ценных руд при их добыче с одновременным увеличением производительности предприятий. Из существующих систем разработки, для решения этой проблемы, более всего соответствуют системы подземной добычи полезных ископаемых с закладкой выработанного пространства.
Однако ни одно из месторождений в условиях криолитозоны в настоящее время не разрабатывается данными системами ввиду их трудоемкости, необходимости строительства дорогостоящих закладочных комплексов и трубопроводов, дефицита вяжущих материалов (цемент и проч.), резкого подорожания материалов, услуг, транспорта, высокой себестоимости закладочных работ, отсутствия технологий, адаптированных к местным условиям, отрицательного влияния низких температур на время и технологию формирования закладочного массива.
Начиная с 40-х годов, проводятся исследования применения в условиях многолетнемерзлых горных пород систем подземной разработки месторождений с ледяной или льдопородной закладкой, позволяющих намного снизить себестоимость горных работ. Наиболее интенсивно эти работы проводились применительно к подземной разработке россыпных месторождений. Однако до сих пор нет механизма формирования ледяного или льдопородного массива за заданный период времени ввиду того, что на время замораживания влияет много факторов: объем и начальная температура замораживаемой воды, температура рудничного воздуха и скорость его движения, температура горного массива и площадь его контакта с закладкой, температура дробленых пород, их количество, кусковатость, удельная теплоемкость воды, льда, породы, скрытая теплота кристаллизации воды, конечная температура искусственного массива. Только при оптимальном соотношении этих параметров можно образовать монолитный закладочный массив с необходимыми прочностными свойствами за заданный период времени.
Кроме того, на процесс формирования искусственного массива влияет и применяемая технологическая схема отработки выемочного участка месторождения: при отработке крутой маломощной рудной залежи потребуется больше времени на формирование ледяного или льдопородного массива в выработанной камере, чем при отработке мощной рудной залежи того же объема вследствие того, что искусственный массив формируется горизонтальными слоями (при прочих равных условиях) одинаковой толщины, а площадь соприкосновения с охлаждающим воздухом во втором случае больше, чем в первом.
Вследствие этого, а также имея ввиду, что при разработке месторождений с различными по мощности рудными телами применяется принципиально разное горное оборудование, нами рассмотрены месторождения ценных руд находящиеся в многолетнемерзлой криолитозоне (ниже слоя оттаивания) и классифицируемых по мощности на тонкие - до 0,8 м; маломощные - 0,8-3,0 м; средней и большой мощности -3,0-20,0 и более метров; а также россыпные - в многолетней мерзлоте, ниже деятельного слоя, на глубинах свыше 15 метров.
Таким образом, актуальной научной проблемой является разработка основных положений, принципов для создания эффективных технологий подземной добычи ценных руд и песков россыпных месторождений применительно к различным условиям криолитозоны за счет снижения потерь и разубоживания руды при ее извлечении из недр (созданием технологических схем сплошной выемки руды без оставления ее в междукамерных целиках) и повышения производительности предприятия за счет механизации основных и вспомогательных процессов, адаптированной к горногеологическим условиям, различным по мощности рудным телам и россыпным месторождениям, расположенных ниже зоны оттаивания.
Добыча руд с минимальными потерями и разубоживанием обеспечивается применением систем с закладкой выработанного пространства. Высокая себестоимость закладки твердеющими смесями на основе цементных вяжущих материалов и сложность ее формирования в отрицательных температурах исключает ее применение в условиях криолитозоны в настоящее время. Минимальной себестоимостью обладает ледяная или льдопородная закладка, образуемая за счет естественного холода криолитозоны без применения специальных охлаждающих установок. Однако, проблема состоит в том, что применение этого вида закладки сдерживается большой продолжительностью затвердевания закладочного массива, отставанием объемов его образования от объема высокопроизводительных очистных работ. Задача оптимизации формирования ледяной и льдопородной закладок в подземных условиях состоит в определении параметров, обеспечивающих минимум времени замерзания искусственного целика, исследовании механизма замораживания ледяного и льдопородного целика и разработке принципов формирования закладочного массива.
Для решения проблемы повышения производительности предприятий разработаны новоя технология и добычной комбайн (совместно с институтом ВНИПИрудмаш) КД800Э для разработки тонких месторождений крепких руд выбуриванием скважин большого диаметра; усовершенствована технология разработки маломощных месторождений с применением механизированных комплексов для отбойки руды, пневмоконструкций с многоразовым использованием для формирования искусственных целиков, самоходного оборудования для доставки руды; усовершенствована технология разработки месторождений средней и большой мощности с обеспечением поточности добычи руды (отбойка на плоское днище, доставка дистанционно управляемыми машинами, применение участковых дробилок), применением новой технологии формирования закладочного массива с использованием вмещающих пород в качестве закладочного материала, применением камер с наклонным днищем; разработана новая технология отработки россыпных месторождений с двухстадийной отбойкой песков.
Более половины трудозатрат горных работ приходится на выполнение вспомогательных технологических процессов: проведение горных выработок, управление горным давлением, доставка руды, проветривание горных выработок, транспорт руды и т. д. В настоящей работе рассмотрены также вопросы совершенствования вспомогательных технологических процессов применительно к рассматриваемым технологическим схемам, так как они являются фактором, существенно влияющем на эффективность горного производства в целом.
Цель работы. Установление закономерностей формирования ледяного и льдопородного закладочных массивов в различных условиях криолитозоны для создания эффективных технологий подземной добычи ценных руд и песков, обеспечивающих снижение потерь и разубоживания руд и высокую производительность предприятий за счет применения нового оборудования и комплексной механизации технологических процессов.
Идея работы заключается в оптимизации формирования ледяной или льдопородной закладки (сформированной с необходимыми прочностными свойствами за минимальный период времени и учетом основных параметров, влияющих на время замораживания массива), позволяющей не отставать закладочным работам от высокопроизводительных очистных работ, основанных на применении новых вариантов систем разработки, оборудования и комплексной механизации технологических процессов в соответствии с мощностью рудных залежей и условиями многолетнемерзлых песков россыпных месторождений.
Задачи исследований:
Выполнить анализ минерально-сырьевой базы ценных руд и установить основные факторы, влияющие на эффективность технологий подземной добычи руд и песков в условиях криолитозоны.
Установить закономерности охлаждения воды до начала кристаллизации, во время кристаллизации, закономерность охлаждения образующегося после кристаллизации льда; предельные соотношения объемов воды и породы при различных их температурах и закономерность охлаждения льдопородного закладочного массива с учетом этих соотношений.
Исследовать зависимость времени формирования ледяного и льдопородного массивов от применения простейших хладагентов (керосина, дизтоплива) и возможность их многократного применения.
Разработать программы для оптимизированного формирования ледяного и льдопородного массивов.
Разработать новые технологические схемы и адаптировать существующие для добычи ценных руд (с применением нового добычного комбайна и комплексов горного оборудования) из тонких, маломощных, средней и большой мощности месторождений в условиях криолитозоны.
Разработать приоритетные технологические схемы интенсивной добычи песков россыпных месторождений подземным способом с ледяной закладкой выработанного пространства, образованной, в том числе, с применением простейших хладагентов.
Сформулировать требования к порядку эксплуатации выемочных участков подземной добычи полезных ископаемых при разработке месторождений ценных руд и песков в условиях многолетней мерзлоты.
Разработать пути совершенствования таких производственных процессов как: проведение горных выработок комплексом самоходного оборудования; буровзрывные работы с оптимизацией удельного заряда ВВ и новых паспортов БВР; управление горным давлением созданием зон с различными реологическими свойствами; крепление сопряжений горных выработок в условиях повышенного проявления горного давления; вентиляция и тепловой режим предприятия с применением пеноперемычек.
9. Установить область экономической целесообразности применения новых технологий и льдопородной закладки.
Методы исследований.
При выполнении работы использовался комплексный метод исследований, включающий: анализ и обобщение сведений литературных и фондовых источников; технико-экономический анализ и обобщение состояния и путей развития подземной разработки месторождений в условиях криолитозоны; аналитическое исследование закономерностей охлаждения воды до кристаллизации, во время и после кристаллизации в различных горно-технических условиях и математическое моделирование для оптимизированного формирования льдопородного закладочного массива; лабораторные исследования формирования ледяного и льдопородного закладочного массива с применением простейших хладагентов; лабораторные исследования поляризационно-оптическим методом перераспределения во времени напряжений в горном массиве с зонами различных реологических свойств для управления горным давлением; производственные эксперименты при проведении опытно-промышленных испытаний новых технологических схем (выбуривание крепких руд из тонких залежей, восходящая слоевая система с секционной отбойкой, камерная циклично-поточная технология с применением льдопородной закладки, и др.) и горного оборудования (экспериментальный добычной комбайн КД800Э, комплексы самоходного оборудования, механизированный комплекс с монорельсовым перемещением и самоходным оборудованием) по разработанным программам, методикам и локальным проектам.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Научной основой разработки эффективных технологий подземной добычи ценных руд и песков в условиях криолитозоны является концепция оптимизированного формирования ледяной или льдопородной закладки, позволяющей снизить потери и разубоживание руды и не отставать от интенсивных очистных работ, основанных на применении новых технологических схем и комплексов самоходного и добычного оборудования, адаптированных к горногеологическим условиям рудных и россыпных месторождений и условиям рыночных отношений.
Установление закономерностей охлаждения воды до кристаллизации, во время и после кристаллизации является научной основой для обоснования минимизации времени формирования искусственного ледяного целика для конструирования вариантов интенсивной технологии, адаптированной к горногеолгическим условиям криолитозоны.
Механизм формирования льдопородной закладки в заданный период времени в зависимости от основных параметров, влияющих на время замораживания (температуры воздуха, горного массива, объема и начальной температуры замораживаемой воды, температуры дробленых пустых пород, их количества и кусковатости, удельной теплоемкости воды, льда, породы, скрытой теплоты кристаллизации воды, конечной температуры закладочного массива), является научной базой для обоснования предельных соотношений воды и породы в различных условиях и времени создания искусственного массива, адаптированных к интенсивным технологиям добычи руд и песков.
4. Оптимизация формирования закладочного ледяного или льдопородного массива обеспечивается адаптивностью математической модели к горногеологическим условиям криолитозоны для решения задачи создания искусственного целика с заданными прочностными свойствами (с использованием естественных температур без применения криогенного оборудования) за период времени, позволяющем применить интенсивную технологию подземной добычи руд.
5. Высокая адаптивность эффективных технологий подземной добычи ценных руд и песков с закладкой выработанного пространства к условиям криолитозоны достигается за счет создания оптимизированного механизма формирования ледяной и льдопородной закладок для различных, изменяемых во времени, горно-технических и горногеологических условий.
6. Высокая эффективность технологии подземной добычи ценных руд и песков в криолитозоне с ледяной или льдопородной закладкой обеспечивается значительным снижением себестоимости закладки (формируемой с использованием естественного холода без применения специального криогенного оборудования); улучшением качества извлечения руд из недр (снижение потерь и разубоживания) интенсивными очистными работами; быстротой окупаемости затрат за счет добычи забалансовых руд, рационального ввода в эксплуатацию выемочных участков в соответствии с температурным полем месторождения и температурным режимом предприятия, позволяющего максимально использовать естественный холод для устойчивости капитальных выработок и искусственных целиков без крепления дефицитным лесом; применением усовершенствованных производственных процессов (проведение горных выработок, буровзрывные работы, управление горным давлением, крепление сопряжений горных выработок, механизация дробления и доставки пустых пород для закладки, вентиляция).
Достоверность научных положений подтверждена положительными результатами значительного объема аналитических и натурных исследований при внедрении» на предприятиях цветной металлургии разработанных технологических и технических решений: - снижение периода формирования закладочного массива в 5,0-7,0 раз; добыча крепких руд из тонких залежей добычным комбайном КД800Э - снижение потерь с 18-20% до 3-5% и разубоживания с 40-46% до 20-22%, увеличение производительности труда в 1,5-2,5 раза; проведение горных выработок комплексами самоходного оборудования по новым паспортам БВР - увеличение КИШ с 0,85 до 0,92-0,94 с определением оптимального заряда ВВ; высокой степенью сходимости результатов расчета крепи сопряжений горных выработок с натурными измерениями (92-95%), результатами промышленных испытаний секционной и двухстадийной отбойки руды (КИШ - 1,0, повышение производительности труда в 1,7-2,0 раза за счет совмещения основных технологических операций); возможностью управления горным давлением пневмоконструкциями; высокой степенью сходимости аналитических исследований с данными натурных наблюдений (90%); использованием технологических и технических решений в основных и локальных проектах на пяти предприятиях цветной металлургии.
Научная новизна работы заключается в следующем: разработана концепция создания эффективных технологий подземной добычи ценных руд и песков в условиях криолитозоны, предусматривающая оптимизированное формирование ледяной и льдопородной закладок, позволяющих снизить потери и разубоживание руды с интенсификацией очистных работ, основанных на применении новых технологических и технических решений, адаптированных к горногеологическим условиям и условиям рынка; установлены закономерности охлаждения воды до кристаллизации, во время и после кристаллизации в зависимости от основных факторов, влияющих на время замораживания искусственного целика, применительно к оптимизации формирования закладочного массива в конкретных горногеологических условиях; впервые разработан механизм формирования льдопородного закладочного массива в зависимости от основных факторов (температуры воздуха, воды, горного массива, дробленой породы, удельной теплоемкости воды, льда, породы, конечной температуры закладочного массива), их предельного соотношения и минимального времени набора необходимых прочностных характеристик; разработаны новые технологические схемы добычи крепких руд из тонких залежей выбуриванием скважин большого диаметра (А.с. SU № 1535994, А.с. SU № 1620626), обоснована техническая и экономическая целесообразность создания добычного комбайна КД800Э и перспективы его применения для выбуривания щелевых скважин при внедрении технологических схем автоматизированной добычи руд без присутствия людей в очистном пространстве с подземным предобогащением полезного ископаемого; разработаны новые технологические схемы добычи руд и песков (А.с. SU № 1195722, А.с. SU № 1460274) в условиях криолитозоны системами восходящей слоевой выемки и камерными системами с секционной и двухстадийной отбойкой руды с льдопородной закладкой выработанного пространства с учетом выявленных закономерностей замораживания закладочного массива, обеспечивающих внедрение циклично-поточной и поточной технологи; научно обоснована и разработана принципиальная схема формирования ледяного и льдопородного закладочного массива (целика) с применением простейших хладагентов (керосин, дизтопливо); разработаны методики расчета крепи сопряжений горных выработок, управления горным давлением в массиве с зонами различных реологических свойств, определения оптимального удельного заряда ВВ, научно обосновано проведение горных выработок ' с применением комплекса самоходного оборудования (А.с. SU № 1643726, А.с. SU № 1422777).
Практическая ценность работы состоит в следующем:
1. Сформулированы требования к конструированию эффективных технологических схем подземной добычи ценных руд и песков с ледяной или льдопородной закладкой выработанного пространства в условиях криолитозоны с учетом естественного холода без применения специальных криогенных установок.
2. Выполнена оценка сырьевой базы месторождений с мощностью рудных тел до 0,8 м; обоснована техническая и экономическая целесообразность их разработки добычными комбайнами методом выбуривания скважин большого диаметра; обоснована экономическая целесообразность изготовления добычных комбайнов типа КД800Э на базе станков 2КВ1, 2КВ2; выполнены опытно-промышленные испытания добычного комбайна КД800Э; обоснована необходимость создания добычного комбайна многоцелевого назначения и возможность щелевого выбуривания.
Установлено, что при подземной разработке месторождений в условиях криолитозоны приоритетными технологическими и техническими решениями являются: для разработки тонких (0,6-0,8 м), крепких рудных залежей -технология выбуривания добычным комбайном; для руд малой и средней мощности (0,8-3,0 м) - технология восходящей слоевой вымки с секционной или селективной отбойкой руды с применением комплекса самоходного оборудования или комплекса машин с монорельсовым перемещением; для мощных рудных тел (3,0-20,0 и более метров) - камерные системы разработки с плоским или наклонным днищем, дистанционно управляемыми доставочными машинами, участковыми дробилками; для россыпных месторождений -варианты двухсторонних камер с двухстадийной отбойкой и самоходным оборудованием; переход на циклично-поточную и поточную технологию.
Разработанные методики и рекомендации по совершенствованию проведения горных выработок, буровзрывным работам, управлению горным давлением, крепления сопряжений горных выработок, проведения вентиляционных пеноперемычек для регулирования теплообмена в горных выработках позволяют решать практические вопросы, связанные с повышением эффективности основных технологических процессов.
5. Сформулированы требования к рациональному порядку отработки добычных участков в условиях криолитозоны в соответствии с температурным полем месторождения и тепловым режимом предприятия, позволяющих максимально использовать естественный холод для устойчивости капитальных выработок и искусственных целиков без применения дефицитного крепежного леса.
6. Опытно-промышленными испытаниями обоснована возможность создания в условиях криолитозоны высокоэффективных технологических схем подземной разработки месторождений без присутствия людей в очистном пространстве.
Реализация результатов работы.
Камерная система разработки с льдопородной закладкой выработанного пространства внедрена на Дукатском руднике и позволила повысить производительность труда в 1,5 раз, добыть дополнительно только в одной рудной зоне три тонны металла, получить фактический экономический эффект 780000 у.е. (работа отмечена бронзовой медалью ВДНХ).
Для Ловозерского ГОКа разработан локальный проект и внедрена технология добычи крепких руд из тонких залежей выбуриванием скважин добычным комбайном КД800Э в условиях повышенного горного давления, позволившая повысить производительность труда в 2,5 раза, извлекаемость руды на единицу конечного продукта в 2,3 раза, расширить сырьевую базу предприятия за счет добычи забалансовых руд, вывести людей из опасной зоны очистного пространства и превратить их в операторов, дистанционно управляющих процессом добычи полезного ископаемого.
Для Депутатского, Акбакайского и Калгутинского рудников разработаны локальные проекты отработки рудных зон восходящей слоевой системой разработки с льдопороднои закладкой с применением комплексов самоходного оборудования и камерные системы с комплексом машин на монорельсовом перемещении и льдопороднои закладкой выработанного пространства с расположением пневмокрепей по границам блока.
На рудниках «Комсомольский», «Октябрьский», «Умбозеро», «Карнасурт», «Теклийский», «Узельгинский», «Кировский», "Холтосон", выполнены натурные испытания и внедрены рекомендации по совершенствованию проведения горных выработок комплексом самоходного оборудования (работа отмечена бронзовой медалью ВДНХ); по секционной и двухстадийной отбойкой руды; по креплению горных выработок и очистного пространства пневмоконструкциями; по креплению сопряжений горных выработок в условиях повышенного горного давления; по селевой доставке горной массы; по выполнению вентиляционных пеноперемычек.
Суммарный фактический экономический эффект от внедрения результатов исследований составил более двух миллионов условных единиц.
Апробация работы.
Основное содержание работы, а также отдельные ее положения доложены и были одобрены техсоветом Минцветмета СССР (1983), Минмета СССР (1990), Правительства Республики Алтай (1992), техническим советом
Северовостокзолото (1983), совещаниями в институтах ВНИИ-1 (1982), Дальстройпроект (1983), ВНИМИ (1984), ЛГИ (1984), ИПКОН (1989, 1992), ГИ КФАН (1987), Гипроцветмет (1982, 1997), Унипромедь (1987), ИГД им. А.А.Скочинского (1973), техсоветами Ловозерского ГОКа (1988, 1992) Норильского ГМК (1983, 1984), комбината «Апатит» (1981), Текелийского СЦК (1983), Джидинского ВМК (1994), Акташского РУ (1990), Дукатского ГОКа (1982), Учалинского ГОКа (1993), Башкирского МСК (1992), на научно-технических конференциях МГИ (1985), МИСИ (1975), >МГРИ (1976), МГОУ (1997), МГГУ (1998), отдельные этапы работы демонстрировали на ВДНХ (1983, 1984, 1987), на международной выставке в г. Пловдиве (НРБ) (1986).
Практическая часть диссертационной работы выполнялась в институте Гипроцветмет, теоретическая - в Московском Государственном Открытом Университете. При проведении натурных и лабораторных исследований и на различных этапах работы большую помощь автору оказали В.И.Емельянов, В.В.Куликов, В.В.Бовенко и другие, которым автор выражает глубокую признательность и благодарность.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 40 работ (в том числе 3 монографии, 7 авторских свидетельств), по результатам исследований написано 18 научно-технических отчетов.
Анализ технологических схем и технических решений разработки отечественных и зарубежных месторождений в зоне отрицательных температур
К настоящему времени накоплен достаточно большой опыт подземной отработки рудных, россыпных и угольных месторождений в многолетемерзлых породах.
Для решения этой проблемы фундаментальные исследования проводились в научно-исследовательских институтах: ВНИИ-1, Институт горного дела Севера СО РАН, Гипроцветмет, Иргиредмет, ИГД им.А.А.Скочинского, ВНИМИ, в высших учебных заведениях.
Значительный вклад в решение этой проблемы внесли С.М.Шорохов, В.П.Бакакин, А.Ф.Зильберборд, В.И.Емельянов, Ю.Д.Дядькин, Ю.В.Шувалов, В.Н.Скуба, А.Е.Слепцов, В.А.Шерстов, Ю.А.Мамаев, Е.А.Ельчанинов, Ю.В.Громов, М.А.Розенбаум, Н.А.Кузнецов, А.И.Украинский и другие.
Исследованию физико-механических свойств мерзлых грунтов посвящены работы Н.А.Цытовича, С.С.Вялова, М.И.Сумгина, В.Н.Тайбашева, Б.А.Савельева, Э.Д.Ершова, Б.Н.Д остова лова и многих других, которые способствовали формированию такой научной дисциплины, как геокриология.
Анализ развития подземной разработки месторождений полезных ископаемых показывает, что наибольшую эффективность добычи обеспечивают системы разработки с закладкой выработанного пространства, объем которых в мире ежегодно возрастает. Это обусловлено тем, что применение закладки при подземной разработке месторождений позволяет применять высокопроизводительные камерные и слоевые системы в условиях слабых и неустойчивых пород, вести сплошную отработку рудных тел с минимальными потерями и разубоживанием руды, осуществлять селективную выемку различных сортов руд, обеспечить выемку богатых руд без нарушения сплошности массива окружающих их бедных руд, добывать возгораемые руды, предотвращать обрушение земной поверхности, разрабатывать месторождения под водоемами, разрабатывать месторождения в сложных горногеологических и горно-технических условиях [5].
Однако внедрение систем с закладкой связано с определенными трудностями: трудоемкостью работ, дефицитом квалифицированных кадров, капиталоемкостью закладочных комплексов, дефицитом вяжущих материалов, высокой стоимостью (резко возросшей в последнее время) материалов, услуг, транспорта и, в связи с этим, высокой себестоимостью закладочных работ. Поэтому основным направлением расширения применения систем разработки с закладкой является снижение себестоимости закладочных работ [6].
При разработке месторождений подземным способом в криолитозоне существенное влияние на снижение себестоимости закладки может оказать применение льдопороднои или ледяной закладки с использованием естественного холода при их формировании.
Промышленные опыты по использованию льда и льдопороднои закладки наиболее интенсивно начали проводить в сороковые годы. Экспериментальные работы на одном из рудников цветной металлургии [7] показали, что технология формирования льдопороднои закладки связана с определенными трудностями и зависит от температуры горного массива, воздуха, воды, дробленой породы, скорости перемещения охлажденного воздуха, количества воды и горных пород, используемых для одной порции закладки, общего объема камеры и других факторов. На рис. 1.1 приведена схема организации льдопороднои закладки на этом предприятии.
Оптимизация формирования ледяного массива
В замораживании ледяного массива необходимо различать три процесса: охлаждение воды до температуры кристаллизации, кристаллизацию воды, охлаждение полученного льда до -4С. Все перечисленные процессы на практике могут идти одновременно. Для ориетировочных оценок допустим расчет значений времени охлаждения и кристаллизации независимо друг от друга, с последующим их сложением.
Эти оценки представляют большие математические трудности. Точное решение задачи кристаллизации возможно при численном счете с применением ЭВМ.
На рис. 2.1 представлена наиболее простая модель одномерной теплопроводности. Это соответствует условию, когда минимальная поверхность воды много больше ее толщины. Поэтому взаимодействием воды и горного массива.
Методика проведения лабораторных исследований формирования закладочного массива с применением хладагентов
Для проверки теоретических исследований
формирования закладочного массива и получения обоснованных предпосылок создания искусственного целика в натурных условиях криолитозоны были выполнены лабораторные исследования, позволяющие определить степень зависимости времени замораживания целика от тех или иных факторов.
Как показали исследования выполненные в институте ВНИИ-1 чистое время намораживания ледяных опор, удовлетворяющее технологии очистной выемки песков, должно составлять не более 3-4 суток.
Из всех способов ускоренного намораживания льда в шахтных условиях (без применения стационарных холодильных установок) наиболее быстрым является формирование ледяного целика с применением простейших хладагентов типа керосина, дизтоплива. Однако исследования по формированию ледяных опор с применением керосина показали, что порционные замены керосина связаны с техническими трудностями и ограничивают время создания ледяных опор [62]. Поэтому одной из основных задач наших исследований было определение возможностей формирования ледяных массивов с применением простейших хладагентов в замкнутом цикле, изменение конструктивных элементов систем разработки россыпных месторождений для возможности формирования ледяных массивов максимально ограниченных плоскостями обнажения.
Для этого в настоящей работе были выполнены ,лабораторные исследования выявления причин, влияющих на ,скорость теплообмена между водой и керосином и другими ,простейшими хладагентами; зависимости процесса конвекции ,от параметров подающих и отводяших магистралей; возможности изоляции закладываемых выработок от ,проникновения керосина в зону очистных работ; возможности многократного использования простейших хладагентов для формирования закладочных целиков; характера ,формирования монолитного ледяного и льдопородного массивов; влияния различных составов закладки на время замораживания и оттаивания целиков.
В работе [75] описаны лабораторные исследования, ,которые показывают, что способ укрепления мерзлых грунтов ,под фундаментами сооружений посредством, самонастраиввающихся охлаждающих керосиновых установок является наиболее простым и перспективным. В охлаждающих установках в качестве теплоносителя используют керосин, так как он не замерзаетпри наблюдающихся колебаниях температуры воздуха в условиях сурового климата и хорошо сохраняет свою текучесть, повсеместно распространен, дешев, при колебаниях температуры изменяет плотность в прямолинейной зависимости, металлические трубы от керосина практически не подвергаются коррозии. Коэффициент объемного расширения керосина при +15С равен 1,1 Ю-3, теплоемкость 0,5 ккал/кг град (2,219 кДж/кг.град), теплопроводность 0,11 ккал/м.ч.град (0,116 Вт/м.град - с понижением температуры увеличивается), удельный вес 0,8 т/м3, коэффициент конвективного теплообмена 500-104Вт/м2.град, температура замерзания минус 70С, при низкой тепературе трудновоспламеняем, гидрофобен.
На рис. 3.1 представлен составленный на основании полученных опытных данных график изменения объема, характеризующий увеличение плотности керосина в зависимости от понижения температуры [75]. Опытные данные показали, что керосин при понижении температуры увеличивает свою плотность, а это подтверждает целесообразность использования его в качестве теплоносителя в охлаждающих установках, в наземной части которых зимой он становится тяжелее и перемещается в низ, вытесняя собой более легкий теплый керосин, что и обусловливает теплосъем, то есть замораживание талых и понижение температуры мерзлых грунтов возле установок.
Исследование сырьевой базы, отечественного и зарубежного опыта разработки тонких и маломощных месторождений
Около 10% запасов полезных ископаемых цветных ,металлов России отнесены к забалансовым вследствие малой ,мощности рудных тел (менее 0,8 м). Разработка таких залежей существующими системами разработки ,предопределяет высокое разубоживание руды, что делает ее добычу экономически нецелесообразной. Около 20 млн. тонн руды цветных металлов в год добывают с применением ручного труда главным образом при разработке маломощных рудных участков.
Вовлечение в эксплуатацию маломощных залежей с высоким качеством извлечения из недр и производительностью возможно с применением принципиально новых технологических схем: биотехнологии, выщелачивания, применения для разрушения горных пород лазерной техники, высоконапорных водных струй, термо- и плазменного разрушения и прочее. Одним из наиболее вероятных способов, обеспечивавющего высокое качество извлечения полезного ископаемого из недр без присутствия людей в очистном пространстве может явиться способ выбуривания маломощных залежей скважинами большого диаметра. Выполненные опытно-промышленные испытания данносо способа на рудниках ЮАР [76,77,78] показали ряд преимуществ перед другими вариантами добычи руды, показали принципиальную возможность создания технологии добычи руды без присутствия людей в очистном пространстве; необходимость создания добычного комбайна, способного выполнять выбуривание скважин в крепких породах в больших объемах. Остались не решенными такие вопросы, как необходимая износостойкость и себестоимость бурового инструмента, возможность обеспечения необходимой точности бурения (особенно при разработке пологих месторождений), определение оптимальной глубины бурения, оптимального соотношения диаметра выбуриваемых скважин и балансовой мощности рудного тела, доставка рудной мелочи, влияние на обогатительный передел, наличие сырьевой базы.
В качестве возможных объектов для применения технологии разработки маломощных залежей выбуриванием выбрано 38 месторождений преимущественно оловянной, вольфрамо-молибденовой, редкометалльной и свинцово-цинковой подотраслей. Коренные и россыпные меторождения золота в это число месторождений не входит и возможность применения новой технологии для них рассматривается в каждом конкретном случае. Кроме того, необходимо иметь ввиду, что тонкие и маломощные участки имеются практически на любом месторождении и составляют иногда до 30% от общих запасов.
Основным критерием при выборе месторождений с жильной морфологией рудных тел для нас являлась величина мощности рудной зоны, которая не превышает 1,0 метра. В случае наличия в месторождении более мощных участков рудных зон во внимание (при учете маломощных запасов ) принимались только представленные мощностью до одного метра [79].
Анализ горно-технических и горногеологических условий маломощных месторождений цветных металлов
Месторождения высокоценных и ценных руд в зоне отрицательных температур страны представлены главным образом жильными месторождениями, имеющими сложную морфологию. По элементам залегания рудные тела представлены пологими (0-20), наклонными (20-50) и крутопадающими (более 50) жилами, по мощности - от тонких (до 0,8 м) и маломощных (0,8-3,0 м) до средней мощности (3-20 м) и мощных (более 20 м) рудных зон. По устойчивости руды и породы представлены неустойчивыми (при температурах горного массива близких к нулю, или в тектонических зонах), средней устойчивости и устойчивыми. Устойчивость руды и горных пород скачкообразно меняется в зависимости от температуры, вследствие чего большое значение при ведении горных работ имеет температурный режим предприятия. Рудные тела по коэффициенту крепости представлены средней крепостью (/ = 4-9) и крепкими (/ = 9-15) горными породами.
Наиболее полно анализ горно-технических условий разработки отечественных жильных месторождений цветных металлов, слюды и химического сырья выполнен в работе [100], который показывает, что более 55% запасов олова сосредоточено в жилах мощностью от 1,8 до 2,9 м. Это создает благоприятные условия для внедрения производительных вариантов систем разработки с механизацией основных и вспомогатеьных технологических процессов.
Почти половина запасов вольфрама приурочена к маломощным рудным телам. В интервале мощности от 0,8 до 1,3 м сосредоточено 32,9% запасов металла, а в интервале от 3,3 до 3,8 м - 24,3%, причем более мощные жилы имеют и более высокое содержание вольфрама, чем жилы тонкие. Если рассматривать отдельно балансовые запасы крутопадающих месторождений , то окажется, что 63,8% металла и 51,1% руды сосредоточена в рудных телах мощностью более 1,3 метра.
Для месторождений молибдена характерно преобладание рудных тел мощностью от 0,3 до 1,3 м; с ними связано 55-60% балансового металла. Остальные запасы молибдена сосредоточены в рудных телах мощностью от 1,3 до 2,8 метров.
На жильных местородениях сурьмы доминируют рудные тела мощностью от 0,8 до 1,3 м, где сосредоточены 78% металла и 84% балансовой руды.
