Комплексное извлечение из недр полезных ископаемых

КОМПЛЕКСНОЕ ОСВОЕНИЕ НЕДР (а. соmprehensive mineral exploitation; н. komplexe Nutzung der Lagerstatten; ф. mise en valeur соmplexe du sous-sol; и. potenciacion соmpleja de subsuelo, explotacion соmpleja de subsuelo) — наиболее полное и экономичное освоение всех видов ресурсов земных недр на основе сочетаний (комплексов) эффективных горных технологий.

Ресурсы земных недр по своему вещественному составу, месту нахождения и возможностям использования весьма многообразны (табл.). Первые три группы вместе составляют минеральные ресурсы недр: первая группа — природные ресурсы, вторая и третья — отходы их добычи и переработки. Значительные по запасам скопления последних, в частности отвалы, представляющие промышленных интерес, иногда называют техногенными месторождениями. Большое число объектов возможного освоения предопределяет многообразие современных способов и средств, сочетания которых эффективны для комплексного освоения отдельных видов ресурсов недр. Из большого числа комплексных горных технологий, которые получают всё более широкое применение в практике разработки месторождений, наибольшие перспективы имеют: комплексная открыто-подземная разработка месторождений, позволяющая при существенном снижении общей себестоимости добычи полезных ископаемых развивать такие её размеры, которые недоступны при обычной последовательной разработке месторождения открытым и подземным способами (рудники ПО «Апатит», Тырныаузский, Тайский и др.); комплексная подземная или открытая разработки с обычной горной технологией для основной части месторождения и доработка маломощных и забалансовых частей, оставленных целиков, руды, потерянной в закладке и в обрушенной массе породы путём химического и химико-бактериологического выщелачивания; комплексная подземная разработка месторождений системами с обрушением или закладкой с последующим выпуском части горной массы и забалансовых руд или обогащенной части закладочного материала, применение её очень эффективно (Ачисайский, Садонский, Балейский, Ингулецкий и другие рудники); комплексная разработка угольных пластов с использованием обычной технологии и подземной газификации на пластах малой мощности и низкого качества; разработка «геотехнологическими» методами (в частности, выщелачиванием) в сочетании с обычной горной технологией на месторождениях или отвалах; отработка открытым способом оставленных при подземной разработке целиков со значительными запасами полезных ископаемых (в частности, на Джезказганском месторождении, в Кузнецком и Карагандинском угольных бассейнах); комплексная доработка шахтным способом значительных запасов нефти, потерянных при скважинной добыче; сочетание технологий, основанных на применении различных гидромеханизированных комплексов и драг при разработке россыпных месторождений; специальные комплексные технологии для извлечения полезных ископаемых со дна морей (океанов) на больших глубинах.

Для развития комплексного освоения месторождений большое значение имеет совершенствование постановки геологоразведочных работ. При поисково-оценочных работах обязательным становится выявление в залежи и вмещающих его породах попутных полезных ископаемых и минеральных компонентов, которые могут представлять интерес и подлежат дальнейшему изучению на стадии предварительной и детальной разведок. На стадии разведки месторождений, а также в процессе их эксплуатации устанавливаются минеральный состав, содержание и запасы попутных компонентов, производятся исследования по технологии эффективной переработки комплексных полезных ископаемых. На разрабатываемых месторождениях также выполняются указанные геологоразведочные работы и исследования на отвалах, хвостохранилищах.

В связи с проблемой использования попутных компонентов особо важной становится задача научной разработки методик, инструкций, нормативов по разведке, изучению технологических свойств и подсчёту запасов полезных компонентов во вмещающих породах, породах вскрыши, хвостохранилищах, отходах химико-металлургических процессов.

Критерием эффективности комплексного освоения недр является достижение оптимальных для развития народного хозяйства страны и интересов будущих поколений показателей полноты использования ресурсов недр и участвующих в процессе их освоения трудовых и материальных ресурсов. На оценку оптимизации освоения минеральных ресурсов недр влияют показатели полноты извлечения из недр и при переработке полезных ископаемых, особенно высокоценных и дефицитных. Это объясняется неудовлетворительным уровнем полноты извлечения в процессах добычи и переработки многих видов полезных ископаемых, а также возрастающей ролью в горной промышленности месторождений комплексных полезных ископаемых. Полные сквозные потери полезных ископаемых складываются в среднем из потерь: в процессе добычи — 10-30%, первичной переработки (обогащении) — 20-40%, химико-металлургического передела — 10-15%. Особенно велики потери при первичной переработке многокомпонентных полезных ископаемых (руд). Поэтому проблема комплексного, т.е. полного использования минерального сырья, первой привлекла к себе внимание и оформилась как составная часть общей проблемы комплексного освоения месторождений твёрдых полезных ископаемых. В горном производстве она относится к завершающей стадии промышленного освоения месторождений — переработке добытого полезного ископаемого (подробнее см. в ст. Комплексная переработка).

Непрерывно увеличивается число извлекаемых из комплексного минерального сырья «попутных» компонентов, в частности редких элементов, растёт коэффициент их извлечения. Если в 1950 из руд цветных и чёрных металлов извлекалось 35 полезных компонентов, то к 1980 число их достигло 70. Заметно поднялась роль «попутной» продукции, т.е. новых извлекаемых компонентов из руд в цветной металлургии. По некоторым видам руд в полной стоимости получаемой конечной продукции доля «попутной» продукции составляет свыше 50%. Капиталовложения на её производство окупаются в 2-3 раза быстрее, чем на вновь строящихся предприятиях, которые выпускают эту продукцию как основную. Чем больше извлекается из руд попутных полезных компонентов, тем ниже становится минимальное промышленное содержание основных компонентов, а вместе с этим возрастают запасы полезных ископаемых в месторождениях, возможная производственная мощность горных предприятий по конечной продукции и в конечном итоге повышается экономическая эффективность освоения минерально-сырьевых ресурсов.

Комплексные мероприятия по рациональному использованию полезных ископаемых и охране недр включают следующие:

1. Обеспечение полноты извлечения полезных ископаемых при добыче:

а) улучшение качества геологоразведочных работ;

б) расширение добычи полезных ископаемых открытым способом;

в) внедрение систем разработки полезных ископаемых с закладкой выработанного пространства;

г) раздельная выемка полезных ископаемых и пород;

д) повторная разработка участков и месторождений;

е) разработка и использование специальных методов и мер для снижения потерь. Например, повышение отдачи нефтяных пластов осуществляется различными методами: физико-химическими, термическими, методом заводнения. Для повышения нефтеотдачи пластов используются поверхностно-активные вещества, которые закачиваются вместе с водой. В результате этого добыча нефти из пласта достигает 40%. С помощью паротеплового воздействия на пласты выход нефти превышает 40%. Повышение нефтеотдачи удлиняет эксплуатацию месторождений.

2. Обеспечение полноты извлечения полезных ископаемых при переработке:

а) повышение степени извлечения полезных ископаемых за счет совершенствования технологии переработки. К таким технологиям относятся подземное выщелачивание, микробиологические, физико-химические, гидрометаллические и комбинированные способы. Например, микробиологический метод выщелачивания способствует извлечению меди из халькопирита на 80%, марганца до 97,5%, повышает извлечение золота из труднообогатимых руд примерно в 9 раз. В результате совершенствования технологий почти полностью исключается выброс вредных газов в атмосферу и обеспечивается комплексное использование сырья.

б) использование методов предварительного обогащения;

в) переработка отвалов и отходов;

г) доизвлечение полезных компонентов;

д) очистка шахтных и сточных вод;

е) разработка мер экономического стимулирования более полного извлечения при обогащении.

3. Рациональное использование добытого минерального сырья и продуктов его переработки в народном хозяйстве:

а) экономия ресурсов – один из путей рационального использования.Каждый процент экономии топливно-энергетических ресурсов в 2-3 раза выгоднее, чем наращивание добычи ресурса. Экономия соответствующего минерального сырья только на 1% равноценна вовлечению в производство дополнительно 1 млн. т стали, 5 млн. т нефти, до 3 млрд. м3 природного газа. Для экономии металлов в металлургии необходимо повышать качество проката путем его упрочнения, нанесения покрытий, защищающих от коррозии. Например, целесообразно и экономически выгодно заменить дорогостоящую легированную сталь, содержащую никель, молибден, хром, низколегированной. Она включает менее дорогие и дефицитные металлы – марганец, кремний, обладает хорошими литейными свойствами;

б) вторичное использование продуктов переработки минерального сырья. Крупным резервом в использовании вторичных ресурсов является утилизация металлолома. 1 т стали из лома обходится в 20 раз дешевле, чем из руды, требует меньше топлива и меньше загрязняет окружающую среду;

в) максимальное сокращение потерь при транспортировке минерального сырья, угля и др.

Комплекс мер по коренному улучшению использования энергетических ресурсов включает три основных аспекта:

ü сокращение расхода энергии для удовлетворения энергетических потребностей;

ü повышение радиуса использования энергетических ресурсов путем совершенствования технологии добычи, переработки, распределения и использования топливно-энергетических ресурсов;

ü замещение дорогих и ограниченных видов энергоресурсов более дешевыми источниками энергии.

Недра являются частью земной коры, расположенной ниже почвенного слоя или дна водоемов и водотоков, простирающейся до глубин, доступных для геологического изучения и освоения (или недра — это верхняя часть земной коры, в пределах которой возможна добыча полезных ископаемых). Под дном водоемов в дан­ном случае понимается также недра континентального шельфа РФ и ее морской исключительной экономической зоны. Кроме того, ФЗ РФ «О недрах» (1995 г.) регулируется и. использование отходов горнодобывающего производства, торфа, сапропелей и иных специ­фических минеральных ресурсов (подземных вод. рассолов и т.п.).

Показатели извлечения полезных ископаемых при добыче оказывают значительное влияние на экономические результаты деятельности горнодобывающих предприятий. Потери и разубоживание полезного ископаемого при добыче отражают полноту и качество их извлечения из недр, зависят от технологического уровня ведения горных работ, обоснованности технических решений и применяемых технологий. Величины фактических потерь и разубоживания полезных ископаемых комплексно отражают геологические, технологические, экономические и органи зационные факторы горного производства.

Основной отличительной особенностью предприятий, занимающихся добычей нерудного строительного сырья, является отсутствие обогатительного передела в технологической цепочке. Именно это предопределяет жесткие требования потребителей к качеству товарной массы.

Содержание компонента в добытой товарной массе (а,%) определяется по формуле [1-4]:

(1)

где В – количество подработанных вмещающих пород, т; в – содержание компонента во вмещающих породах, %; Би – величина извлеченных балансовых запасов, т; с – содержание компонента в балансовых запасах, %.

Таким образом, когда цена реализации продукции не зависит от содержания компонента в товарной массе, то оценкой эффективности использования недр для месторождений нерудного строительного сырья является предельное содержание компонентов в товарной массе – минимальное содержание полезного компонента и максимальное содержание вредных примесей [5].

Исследования, выполненные авторами на рудниках «Ангидрит» и «Известняков» ЗФ ОАО «Горно-металлургическая компания «Норильский никель», позволили выявить взаимосвязанные и обособленные потери и разубоживание полезного ископаемого.

Особый интерес представляют именно взаимосвязанные потери и разубоживание на контактах тел полезных ископаемых, которые образуются вследствие несовпадения контура отбойки и поверхности контакта (рис.1).

Рис. 1.
Формирования потерь полезного ископаемого (П) и подработки вмещающих пород (В) при отработке геологических контактов

Каждому контуру отработки [5] соответствуют свои величины потерь полезного ископаемого (П) и подработки разубоживающих вмещающих пород (В).

Для месторождений нерудного сырья расчет сводится к определению рационального контура отбойки, обеспечивающего допустимое содержание компонента в товарной массе (адоп,%). Уровни потерь и разубоживания, соответствующие этому контуру, являются нормативными.

Содержание компонента в товарной массе по контурам отработки определяется зависимостью:

(2)

где Sв – площадь поперечного сечения выработки, м2; Sn – расчетная величина подработки пород в сечении выработки, м2; с – содержание полезного компонента в балансовых запасах, %; в – содержание полезного компонента во вмещающих породах (в подрабатываемом массиве), %; а – содержание компонента в товарной массе на рассматриваемом контуре отработки, %.

Предельное содержание того или иного компонента в товарной массе (адоп) позволяет сформулировать ограничение величины подработки вмещающих пород с учетом содержания компонентов в балансовых запасах и вмещающих породах:

(3)

Отсюда

(4)

где μ – показатель оптимального соотношения площадей подрабатываемой вмещающей породы к общей площади выработки, характеризующий соотношение максимально возможной площади прихвата примешивающих пород к площади поперечного сечения выработки, обеспечивающее допустимое содержание регламентируемого компонента в товарной массе.

При этом возникают три случая расположения контура отработки в приконтактной зоне, которым соответствуют свои схемы расчета показателей извлечения (рис.1):

• расчетная схема №1 (рис.1а), при которой оптимальный контур отработки (hopt ≤ hпз) находится в пределах приконтактной зоны, и площадь подработки породы меньше или равна площади приконтактной зоны (Sп ≤ Sпз);
• расчетная схема №2 (рис.1б), при которой оптимальный контур отработки (hopt > hпз) находится за границей приконтактной зоны и площадь подработки породы больше площади прикотактной зоны (Sп > Sпз);
• расчетная схема №3 (рис.1в), при которой оптимальный контур отработки полностью находится в границах полезного ископаемого, без прихвата вмещающих пород (hopt=0 и Sп=0).

Расчет показателей извлечения осуществляется в следующей последовательности.

Первоначально по формуле (4) определяется значение показателя оптимального соотношения площадей подрабатываемой вмещающей породы к общей площади выработки.

Далее рассчитываются величины – площадь пород в приконтактной зоне в пределах ширины выработки (Sпз); площадь подработки пород в сечении выработки, которая обеспечивает регламентированное содержание компонента в товарной массе (Sп), а также высота пород в приконтактной зоне, ограниченная шириной выработки и углом наклона контакта (hпз):

(5)

(6)

(7)

где α – угол наклона геологического контакта в поперечном сечении выработки, град.; b – ширина выработки, м; Sпз – площадь пород в приконтактной зоне в пределах ширины выработки, м2; hopt – оптимальный контур отработки, на котором обеспечивается регламентированное содержание компонента в товарной массе, м; hпз – высота пород в приконтактной зоне, ограниченная шириной выработки и углом наклона контакта, м; Sп – расчетная величина подработки пород в сечении выработки, которая обеспечивает регламентированное содержание компонента в товарной массе, м2.

После этого производится сравнение рассчитанных площадей (Sпз и Sп), выбор расчетной схемы и расчет показателей извлечения по выбранной расчетной схеме.

Расчетная схема №1. Площадь подрабатываемой породы меньше или равна площади породы в приконтактной зоне (Sп ≤ Sпз или hopt ≤ hпз) (рис.1а).

Величина подработки пород определяется:

(8)

(9)

Величину потерь полезного ископаемого на контакте можно рассчитать из выражений

(10)

(11)

где L – длина подрабатываемого участка, м; В – величина разубоживающих (подрабатываемых) пород; П – величина теряемого полезного ископаемого.

(12)

Расчетная схема №2. При условии Sп > Sпз полностью отрабатываются запасы приконтактной зоны и исключаются потери полезного ископаемого в массиве на геологическом контакте (П=0), при этом возникает возможность дополнительной подработки вмещающих пород за пределами приконтактной зоны, что позволяет наиболее полно использовать недра и увеличить объем добываемой товарной массы при обеспечении регламентированного качества товарного сырья (рис.1б).

Величина подработки пород рассчитывается:

(13)

(14)

(15)

Расчетная схема №3. При условии Sп=0 и hopt=0 запасы приконтактной зоны не отрабатываются и исключается подработка вмещающих пород, поскольку содержание компонентов в продуктивном пласте и вмещающих породах не обеспечивает требуемого содержания в товарной массе (рис.1в). Разубоживание в этом случае отсутствует (В=0), потери определяются по формуле:

(16)

Таким образом, с использованием показателя (μ) становится возможным расчет оптимальных величин потерь полезного ископаемого (П) и подработки вмещающих пород (В) на геологических контактах. Кроме того, становится возможным определение положения контура отработки (hopt), что позволяет оперативно контролировать ведение горных работ.