Обоснование технологии открытой разработки железосодержащих техногенных месторождений на примере хвостохранилищ ГОКов КМА

Горнодобывающее предприятие представляет собой комплексный источник негативного воздействия на окружающую природную среду. Распространение вредных веществ связано как с технологией добычи полезных ископаемых, так с получением полезного концентрата в процессе обогащения минерального сырья. Извлечение из недр огромных объемов горных пород и размещение вскрыши в отвалах, а отходов обогащения в шламои хвостохранилищах, затрагивают нарушениями значительные земли, как по площади, так и по глубине. При этом из-за несовершенства технологий в отходы попадает значительное количество полезных компонентов, которые, впрочем, могут быть вторично переработаны по мере развития научно-технического прогресса.

На основании этого фактора В. И. Вернадским было сформулировано понятие «техногенного месторождения», которое подразумевает собой скопление вторичных минеральных ресурсов, образовавшееся в результате складирования отходов производства и пригодное для разработки и производства товарной продукции в будущем по мере развития науки и техники. Однако применительно к большинству уже существующих отвалов и хвостохранилищ данное определение будет некорректно, поскольку при их формировании не учитывалась возможность их вторичной переработки. Поэтому в данной работе предлагается оперировать понятием «техногенное образование».

Неизбежное истощение запасов минеральных ресурсов, постоянного ухудшения горно-геологических и горнотехнических условий разработки, восстановление сырьевых ресурсов из горнопромышленных отходов путем их вторичной переработки является вопросом государственной важности.

В отношении отвалов твердых пород вскрыши ситуация в целом складывается обнадеживающе, имеются технологии и некоторый опыт их переработки. По-иному обстоит дело с переработкой обводненных хвостохранилищ обогатительных фабрик, характеризующихся куда более сложными условиями залегания и высокой степенью опасности для окружающей среды. При наличии схем дообогащения этих техногенных образований до сих пор не обоснованы эффективные способы их разработки, технологическое оборудование и кондиции.

Ввиду выше изложенного, создание безопасных и высокопроизводительных технологических схем разработки хвостов обогащения является актуальной научно-исследовательской задачей в современных условиях горного производства, направленной на реализацию отдельных пунктов «Долгосрочной государственной программы изучения недр и воспроизводства минерально-сырьевой базы России на основе баланса потребления и воспроизводства минерального сырья» на период до 2020 года, утвержденной распоряжением правительством РФ № 494 — р от 21.04.2003 «Основы государственной политики в области использования минерального сырья и недропользования».

Объектом исследования является горно-обогатительное предприятие ОАО «Лебединский ГОК». В настоящее время объем скопившихся отходов обогащения железистых кварцитов на руднике составляет болеее 600 млн. тонн. Отвалы и хвостохранилища занимают более 60% общей площади предоставленного предприятию земельного отвода. Значительная часть земель, занятых отходами, относится к категории сельскохозяйственных. По проведенной оценке физико-химического состава отходов обогащения, содержание железа в них достаточно высокое, пригодное для вторичной переработки. Это объясняется рядом факторов: несовершенство существующей технологии обогащения, аварийные остановки оборудования, несовершенство схем утилизации и улавливания просыпей и продуктов промсмывов.

Возможность разработки отходов горно-обогатительного производств в народном хозяйстве может обеспечить:

— значительное расширение минеральной базы страны;

— увеличение выпуска дополнительной продукции;

— снижение капитальных вложений в освоение новых месторождений;

— экономию затрат на складирование, содержание отвалов и хвостохранилищ, рекультивацию занятых земель;

— предотвращение ущерба от воздействия на окружающую среду;

— получение социального и экономического эффекта от снижения загрязнения окружающей среды.

Разрабатывая отходы, уже сейчас можно было бы сократить объем добываемой горной массы на 20 — 25%, снизить общую себестоимость продукции на 10−15% и оздоровить экологическую обстановку в районах горноперерабатывающих предприятий, а также освободит обширные земельные территории для проведения рекультивационных работ.

Цель работы. Разработка и обоснование параметров технологий открытой разработки железосодержащих техногенных месторождений на примере хвостохранилищ ГОКов КМА.

Идея работы. Обоснование технологии открытой разработки железосодержащих техногенных месторождений на примере хвостохранилищ ГОКов КМА должно осуществляться на основе установленных зависимостей параметров технологии от влажности, физико-механических свойств лежалых хвостов и их гранулометрического состава.

Основные задачи работы:

1. Анализ техногенных образований, динамики объемов лежалых хвостов обогащения и методической базы по вовлечению их в разработку.

2. Разработка методики исследования устойчивости откосов уступов и рабочих площадок при ведении добычных работ на хвостохранилищах.

3. Разработка и обоснование технологических схем эксплуатации железосодержащих хвостов на площади хвостохранилищ.

4. Выбор выемочно-погрузочного оборудования для разработки хвостохранилищ.

5. Установление зависимостей влияния вещественного состава железосодержащих хвостохранилищ на показатели их обогатимости и качество получаемого при этом концентрата.

6. Экономическое обоснование целесообразности вовлечения в разработку железосодержащих хвостов обогащения.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использован комплексный подход, включающий: анализ отечественной и зарубежной литературыпроведение в лабораторных условиях исследований свойств лежалых хвостовматематическое, трехмерное параметрическое моделирование и обработку результатов исследований на ЭВМ с использованием специализированных программных комплексов.

Научная новизна:

1. Установлены зависимости коэффициент запаса устойчивости поверхности хвостохранилища и безопасной высоты добычного забоя экскаватора от влажности железосодержащих хвостов.

2. Выявлены зависимости величины расстояния возможного движения железосодержащих хвостов от удельного веса и угла наклона системы осадительных траншей.

Основные защищаемые положения:

1. Для повышения устойчивости выемочно-погрузочного оборудования на поверхности полусухого хвостохранилища Лебединского ГОКа следует уменьшать влажность железосодержащих хвостов с 35 до 21% за счет разбивки их на выемочные заходки путем создания проветриваемых траншей, что обеспечивает безопасную высоту добычного забоя до 7 м.

2. С целью снижения разубоживания при разработке действующих хвостохранилищ Лебединского ГОКа целесообразно применять рекомендуемую технологию с использованием выемочно-погрузочного оборудования и наклонной системы осадительных траншей длиной не более 12 м и углом наклона до 11 град, которая обеспечивает выемку кондиционных железосодержащих хвостов и отличается меньшей энергозатратностью по добыче и количеством применяемого оборудования.

3. Железосодержащие хвостохранилища Лебединского ГОКа являются техногенными месторождениями с возможностью получения железорудного концентрата до 66%, целесообразность разработки которых определяется технологиями выемки хвостов, отличающимися меньшими затратами на их добычу.

Практическая значимость работы:

Разработана технологическая схема отработки полусухих железосодержащих техногенных месторождений, обеспечивающая уменьшение влажности хвостов и повышение устойчивости выемочно-погрузочного оборудования. н Предложена методика расчета безопасной высоты добычного забоя, представленного сложенными сыпучими материалами в обводненных условиях.

Разработан способ отработки действующих железосодержащих хвостохранилищ, позволяющий снизить разубоживание хвостов при их добыче.

Предложена принципиальная схема дообогащения железосодержащих хвостов с получением железорудного концентрата до 66%.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается: значительным объемом проанализированной и обобщенной исходной информации для аналитических исследований, значительным объемом экспериментальных исследований в натурных и лабораторных условиях, применением современных методов анализа и обработки экспериментальных данных, хорошей сходимостью расчетных данных с результатами лабораторных и натурных экспериментов.

Предполагаемое внедрение.

Результаты исследований диссертационной работы имеет прикладное значение и послужат основой для проектирования, технико-экономической оценки возможности и целесообразности разработки техногенных образований, представленных хвостохранилищами горно-обогатительных предприятий.

Результаты диссертационной работы подтверждены актами внедрения на ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», ОАО «Новокаолиновый ГОК», а так же в качестве рекомендаций могут быть использованы, на ведущих горнодобывающих предприятиях ГОКов КМА, ОАО «Михайловский ГОК», ОАО «Лебедиский ГОК» и др.

Научные и практические результаты диссертации подтверждаются справкой о внедрении в учебный процесс подготовки студентов в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова и могут быть использованы в учебном процессе при подготовке студентов по специальности «Открытые горные работы» в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный».

Исследования выполнялись в рамках двух Государственных контрактов № 02.740.11.0695 «Создание геомеханически и экологически безопасных малоотходных способов разработки месторождений открытым способом в сложных гидрогеологических условиях» и № 14.132.21.1819 «Обоснование и разработка технологии формирования железосодержащих хвостохранилищ в отвалах вскрышных пород с учетом дальнейшего вовлечения в разработку».

Основные положения диссертационной работы освещались на: международном симпозиуме горняков (Фрайберг, Германия, 2012 г.), международной научно-практической конференции (София, Болгария, Горногеологический университет «Св. Ивана Рилски», 2012 г.) — международной конференции молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 2012 г.) — международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута, 2011 г.) — международной научно-практической конференции «Открытые горные работы в 21 веке» (Красноярск, 2011 г.) — международной научно-практической конференции молодых учёных и студентов «Опыт прошлоговзгляд в будущее» (Тула, 2011 г.) — XII международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2011 г.) — студенческой научной конференции (Польша, Краковская горнометаллургическая Академия (КГМА), 2010, 2011 г.).

Основные результаты исследований представлены в 21 опубликованной работе, из них 6 — в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, и 3-х свидетельств РФ.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 135 страниц, 29 таблиц, 60 рисунков и список литературы из 100 наименований.

§ 5.4. Выводы по главе 5.

1. По проведенным маркетинговым исследованиям, спрос на железорудное сырье в мире вырос на 140 млн. т/полугодие. Мощности большинства российских горно-обогатительных комбинатов в настоящее время уже загружены практически полностью и наращивание объемов выпуска возможно засчет внедрения на российских ГОКах новых производственных мощностей по вовлечению в разработку техногенных месторождений. Это позволит уже сегодня напримере Лебединского ГОКа увеличить долю выпускаемого железорудного сырья на 400 тыс. т/год и существенно оздоровить окружающую среду.

2. Расчеты, выполненные для различных технологий отработки железосодержащих хвостохранилищ, показывают, что сравнительная экономическая эффективность добычи 1 т хвостов при производительности в 2,5 млн. т/год, по предлагаемым технологиям отработки полусухих и действующих хвостохранилищ составляют 17,89 руб./т и 13,04 руб./т., значительно выше по сравнению с другими технологиями: Ковдорский ГОК — 70,61 руб./т и Михайловский ГОК — 64,23 руб./т. Это объясняется меньшим количеством выполняемых производственных процессов, применяемого оборудования и полнотой их использования во времени.

3. Результаты экономической модели предприятия свидетельствует о том, что разработанная технология добычи и переработки позволяют производить на Лебединском ГОКе железорудный концентрат стоимостью 680 руб/т, со сроком окупаемости на разработку хвостохранилищ — 1,1 год и получить по предварительным расчетам — годовой экономический эффект более 500 млн. руб, при производительности по хвостам в 2,5 млн. т/год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи — обоснование технологий открытой разработки железосодержащих техногенных месторождений, позволяющих повысить устойчивость выемочно-погрузочного оборудования и снизить разубоживание при добыче хвостов.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. В результате анализа техногенных образований сформированных ранее при работе обогатительных фабрик, динамики объемов лежалых хвостов обогащенияанализ методической базы по вовлечению их в разработку. За продолжительную историю развития горного производства в России, в частности, обогатительных фабрик, работающих на сотнях месторождений полезных ископаемых, образуется огромное количество отходов, размещенных в хвостохранилищах. Площадь под ними за последние 20 лет увеличилась более чем на 40%. Значительный объем накопленного в хвостохранилищах материала формирует техногенный геоландшафт и техногенную геосистему.

2. В хвостохранилищах горнодобывающих предприятий ГОКов КМА накопилось свыше 600 млн. т железосодержащих отходов, содержащих значительное количество железа, кремния, а так же золота, меди и цинка.

3. В результате анализа типов, закономерностей формирования и строения хвостохранилищ выявил, что в них образуются обособленные участки, обогащенные металлами. Содержание полезного компонента уменьшается с удалением от места слива пульпы к прудковой зоне. Изучение таких зон и положительная технико-экономическая оценка предполагают возможность селективной выемки и переработки хвостохранилищ.

4. Экономическая целесообразность вовлечения в разработку лежалых железосодержащих хвостов обогащения обусловлена тем, что уже сейчас можно сократить объем добываемой горной массы на 20 — 25%, снизить общую себестоимость продукции на 10—15% и оздоровить экологическую обстановку в районах горноперерабатывающих предприятий.

5. Освоение железосодержащих хвостохранилищ сдерживается тем, что существующие технологии открытой разработки связаны с неэффективными процессами их подготовки и переработки, значительными затратами ресурсов на выемочно-погрузочные работы, отрицательным воздействием на окружающею среду. В результате не обеспечивается выгодное использование железосодержащих отходов для извлечения металлов.

6. Железосодержащие хвостохранилища оказывают негативное воздействие на окружающую среду, а также на земную поверхность. Они изменяют окислительно-восстановительную обстановку в районе расположения, ведущую к изменению агрегатного состояния, структуры, физического состояния, проницаемости и прочности пород.

7. Применение объемного гидропривода позволит снизить эксплуатационные затраты и создаст новые схемы работы выемочной машины. Расширяются возможности экскаватора: селективная выемка, фронтальная зачистка, лучшие условия погрузки породы в транспорт, более короткий рабочий цикл, избежание жесткой зависимости параметров отрабатываемых забоев от линейных характеристик выемочно-погрузочных машин, ведение горных работ с нижним черпанием.

8. Существующие железосодержащие хвостохранилища — это техногенные месторождения мощностью до 100 м, сложенные хвостами обогащения железных руд. Запасы железосодержащих хвостохранилищ представляют собой мелкодисперсную водонасыщенную массу, имеющую низкую несущую способность, не обеспечивающую устойчивость горнотранспортных машин.

9. Повышение влажности в железосодержащих хвостах, ведет к уменьшению углов внутреннего трения и сцепления. При инженерных расчетах по определению оптимальной высоты добычного забоя рекомендуется принимать угол внутреннего трения равным 26°, а сцепление — 0.

10. Предложена технология разработки полусухих хвостохранилищ выемочно-погрузочным оборудованием «обратная лопата», при этом, высота уступа не должна превышать оптимальную высоту добычного забоя при максимальной влажности хвостов. Устойчивость его обеспечивается ведением горных работ в пределах осушенных выемочных заходок. Данный способ характеризуется безопасностью и эффективностью при отработке полусухих железосодержащих хвостов. При этом, коэффициенты устойчивости поверхности хвостохранилища и рабочего откоса должны удовлетворять неравенству кзур. у ^ «у =.

11. Сокращение объемов выемочно-погрузочных работ и транспортных работ, уменьшение площадей отчуждаемых земель и вредоносного воздействия на окружающую среду достигается за счет применения выемочно-погрузочного оборудования «обратная лопата», расположенного на поверхности хвостохранилища, устойчивость которого обеспечивается за счет оконтуривания участка хвостохранилища и ведения горных работ в пределах осушенных выемочных блоков. Данный способ характеризуется высокой степенью безопасности и эффективностью при отработке полусухих железосодержащих хвостов.

12. Способ разработки действующих хвостохранилищ с применением выемочно-погрузочной техники и наклонной системы осадительных траншей позволяет высокоэффективно извлекать и разделять хвосты обогащения на кондиционные и некондиционные. Он характеризуется применением гидравлической выемочно-погрузочной техники при разработке хвостов с обильной водной массой.

13. Установлено, что хвосты с разным содержанием полезного компонента могут преодолевать разные расстояния, на которые может влиять также угол наклона самой системы осадительных траншей и удельный вес железосодержащих хвостов.

14. Изучение вещественного состава лежалых хвостах обогащения ГОКов КМА показало, что отобранные пробы отличаются по химическому, гранулометрическому и минеральному составу, как в пределах одного хвостохранилища, так и между хвостохранилищами различных ГОКов. Это обусловлено тем, что при расслоении хвостовой пульпы в пульпопроводе в нижней части помещаются более крупные и тяжелые частицы, здесь же выше и концентрация пульпы, чем в верхней части потока. Таким образом, вблизи выпусков скапливаются тяжелые минералы железа, тогда как легкие относят на значительное расстояние.

15. Проведенные испытания показали, что без доизмельчения исходного материала получить концентрат, близкий к кондиционному 60%, не представляется возможным. Содержание фракции в пробах менее 0,044 мм позволяет достичь максимальные показатели обогащения.

16. Проведенные исследования показали, что в пределах хвостохранилищ Лебединского ГОКа существует участок намывных хвостов с аномально высоким содержанием железа общего 14,32 — 19,10% и железа магнитного 4,37 — 7,83%, и имеющий прогнозные запасы 49,2 млн.т. Данный участок представляет собой техногенное месторождение железной руды, перспективное для вовлечения в разработку.

17. По проведенным маркетинговым исследованиям, спрос на железорудное сырье в мире вырос на 140 млн. т/полугодие. Мощности большинства российских горно-обогатительных комбинатов в настоящее время уже загружены практически полностью и наращивание объемов выпуска возможно засчет внедрения на российских ГОКах новых производственных мощностей по вовлечению в разработку техногенных месторождений. Это позволит уже сегодня напримере Лебединского ГОКа увеличить долю выпускаемого железорудного сырья на 400 тыс. т/год и существенно оздоровить окружающую среду.

18. Расчеты, выполненные для различных технологий отработки железосодержащих хвостохранилищ, показывают, что сравнительная экономическая эффективность добычи 1 т хвостов при производительности в 2,5 млн. т/год, по предлагаемым технологиям отработки полусухих и действующих хвостохранилищ составляют 17,89 руб./т и 13,04 руб./т., значительно выше по сравнению с другими технологиями: Ковдорский ГОК — 70,61 руб./т и Михайловский ГОК — 64,23 руб./т. Это объясняется меньшим количеством выполняемых производственных процессов, применяемого оборудования и полнотой их использования во времени.

19. Результаты экономической модели предприятия свидетельствует о том, что разработанная технология добычи и переработки позволяют производить на Лебединском ГОКе железорудный концентрат стоимостью 680 руб/т, со сроком окупаемости на разработку хвостохранилищ — 1,1 год и получить по предварительным расчетам — годовой экономический эффект более 500 млн. руб, при производительности по хвостам в 2,5 млн. т/год.