Современные и перспективные технологии при разработке месторождений алмазов
А.С. Зельберг, директор института «Якутнипроалмаз» АК «АЛРОСА» (ПАО), г. Мирный
И.В. Зырянов, д-р техн. наук, заместитель директора по научной работе института «Якутнипроалмаз» АК «АЛРОСА» (ПАО)
И.Ф. Бондаренко, канд. техн. наук, ученый секретарь института «Якутнипроалмаз» АК «АЛРОСА» (ПАО)
Горно-геологические и природно-климатические особенности коренных алмазоносных месторождений Якутии создают уникальные по своей сложности условия ведения горных работ. Эффективная и максимально полная отработка таких объектов недропользования, как правило, возможна лишь с использованием инновационных технологий. Необходимы технологии и проектные решения, обеспечивающие безопасность и приемлемые операционные затраты по доработке ряда месторождений на всю глубину разведанных запасов. Поиск новых геотехнологий для разработки подкарьерных запасов месторождений становится приоритетной научной задачей.
Горно-геологические и природно-климатические особенности коренных алмазоносных месторождений Якутии создают уникальные по своей сложности условия ведения горных работ, осложненных целым рядом факторов: большой глубиной разработки, криогенностью горного массива, наличием мощных высоконапорных водоносных горизонтов и др.
При этом одной из главных задач АК «АЛРОСА» является поддержание и расширение минерально-сырьевой базы (МСБ) своих предприятий, в том числе за счет вовлечения в разработку месторождений, характеризующихся сложными геологическими и горнотехническими условиями.
Эффективная и максимально полная отработка таких объектов недропользования, как правило, возможна лишь с использованием инновационных технологий, которые должны быть не только обоснованы, но и стать действующей нормой.
В ближайшей перспективе, до 2036 г. действующие карьеры будут доработаны до проектных границ, где крайне необходимы технологии и проектные решения, обеспечивающие безопасность и приемлемые операционные затраты, по доработке ряда месторождений на всю глубину разведанных запасов. В этих условиях поиск новых геотехнологий для разработки подкарьерных запасов месторождений становится приоритетной научной задачей.
Открытые горные работы
Несмотря на то что в Компании накоплен значительный опыт разработки кимберлитовых месторождений открытым способом с высокими эксплуатационными показателями, необходим поиск новых технических решений, позволяющих повысить экономическую эффективность добычи в первую очередь за счет сокращения объемов вскрыши в 5–7 раз.
Минерально-сырьевая база Компании является наиболее крупной в мире и представлена коренными, россыпными и техногенными месторождениями, причем основная часть балансовых запасов (94,1%) сосредоточена в коренных месторождениях.
Анализ структуры МСБ группы «АЛРОСА» показывает, что текущие запасы алмазов составляют 1174 млн карат, которые можно разделить на 3 группы по качеству:
• I группа – запасы, вовлеченные в эксплуатацию, и запасы в инвестиционной стадии (имеются проектные решения) составляют 652 млн карат;
• II группа – запасы, находящиеся в прединвестиционной фазе и обладающие коммерческим потенциалом (ведется проектирование), составляют 200 млн карат;
• III группа – запасы, по которым не приняты инвестиционные решения, отработка мало перспективна, либо требует экономической оценки. Их количество оценивается на уровне 322 млн карат.
Именно к III группе относится ряд коренных и россыпных месторождений алмазов, для которых необходимо в ближайшее десятилетие разработать и внедрить ряд новых технических решений.
В последние годы в связи с развитием подходов к конструированию и определению параметров новых комбинированных геотехнологий наметилась тенденция отхода от традиционного комбинированного открыто-подземного способа отработки коренных месторождений алмазов. Это связано с резким увеличением потенциала открытых горных работ за счет внедрения целого ряда новых технологических решений в части схемы вскрытия и конструкции борта карьера и применения горнотранспортного оборудования с новыми возможностями.
В настоящее время требует решения проблема доработки законтурных запасов руды ряда алмазорудных месторождений, залегающих ниже предельных границ карьеров, где добывать традиционным открытым методом уже невозможно, а строить рудник экономически нецелесообразно.
К ним можно отнести проблему отработки запасов руды месторождений Нюрбинского ГОКа, где эффективная глубина открытой разработки определена в 570 м при глубине подсчета запасов 750 м, отработка которых в указанном диапазоне глубин традиционными способами экономически неэффективна.
Выемку запасов руды в указанном диапазоне глубин предлагается вести по предлагаемой геотехнологии открытой разработки месторождений, включающей комбинированный способ вскрытия с изменяемой геометрией профиля борта карьера.
Согласно данной технологии, выемка запасов глубоких горизонтов месторождения предполагается открытым способом с применением буровзрывного метода отбойки горной массы и последующей транспортировкой шарнирно-сочлененными автосамосвалами по подземным выработкам, обеспечивающим внутрикарьерную транспортную связь с внутрикарьерной перегрузочной площадкой, на которой порода перегружается в большегрузные самосвалы и транспортируется на поверхность (рис. 1).
Рис. 1 Принципиальная схема комбинированного вскрытия глубоких горизонтов с изменяемой геометрией профиля борта карьера «Нюрбинский»
Для этого на завершающей стадии с промежуточной отметкой проходится подземный спиральный транспортный съезд до конечной глубины, из которого впоследствии по зарезкам планируется попадать во внутреннее пространство карьера.
Это позволяет отстраивать нижний участок борта карьера высотой около 200 м без формирования транспортных берм под предельно возможным по устойчивости углом. Устойчивость борта и уступов обоснована геомеханическими расчетами.
Сравнительные показатели отработки карьера «Нюрбинский»
Смоделированные параметры карьера Нюрбинский при его отработке до глубины 750 м показывают, что внедрение инновационной технологии позволяет уменьшить объем вскрыши на 190–300 млн м3 относительно традиционных способов вскрытия и конструкции борта, при этом эффективность технологии увеличивается с увеличением глубины отработки (см. таблицу).
Особенностью таких карьеров является их расположение в зоне сплошного распространения мощных толщ мерзлых пород, что повышает устойчивость бортов карьеров и, менее выраженно, устойчивость уступов.
Поэтому достаточно часто возникает ситуация, когда технологически достижимый угол борта оказывается существенно меньше геомеханически достижимого угла.
В этом случае на завершающей стадии углубки карьера предлагается сработать часть транспортных берм или уменьшить их ширину, увеличить крутизну уступов ниже зоны выветривания, а также уменьшить ширину предохранительных берм. Предлагаемая геотехнология основывается на новой, так называемой безбермовой конструкции нерабочих бортов. В настоящее время данная конструкция проходит апробацию на карьере «Зарница».
Весьма актуальной проблемой является разработка прорывных технологий отработки глубокозалегающих россыпных месторождений алмазов. Проблема может быть решена путем применения бестранспортной схемы вскрытия и удаления торфов с использованием драглайнов.
Бестранспортная технология горных работ с перевалкой вскрышных пород драглайнами может найти свою нишу в решении проблемы повышения эффективности разработки алмазорудных месторождений Якутии.
Перспективным направлением исследований является использование скважинной гидродобычи (СГД). Способ основан на физическом процессе – переведении полезного ископаемого в месте залегания в состояние гидросмеси. Сущность способа состоит в следующем. В пробуренную и обсаженную скважину опускается добычной снаряд, оборудованный гидромонитором и выдающим устройством.
Руда размывается струей воды через форсунку под давлением 900 атм, далее по пульпоподъёмной колонне выдаётся на поверхность. В качестве выдающего устройства могут использоваться гидроэлеваторы, эрлифты, скважинные насосы или их комбинации. Синхронно проводится закладка выработанного пространства. Технология СГД имеет больше преимуществ по сравнению с обычными методами добычи и известным нетрадиционным способом выбуривания руды скважинами большого диаметра, которые заключаются в отсутствии необходимости выемки больших объемов вскрышных пород при открытом способе. СГД может рассматриваться как альтернативный при отработке ряда месторождений алмазов, где применение традиционных способов добычи неэффективно.
В АК «АЛРОСА» в течение последних 5 лет была выполнена работа по обоснованию рациональной транспортной системы при отработке удаленных алмазных месторождений (длина транспортирования от 20 до 200 км, и годовая производительность по руде до 5 млн т). Выполненные исследования показали эффективность применения многозвенных автопоездов. Опыт применения автопоездов показал, что фактическая себестоимость транспортирования (ткм) в 2 раза ниже, чем при традиционных «классических» автосамосвалах, а удельный расход топлива в 3 раза ниже. Парк автопоездов в АК «АЛРОСА» в 2019 г. достиг 90 ед. (рис. 2).
Рис. 2 Модели автопоездов на кимберлитовых карьерах Якутии
Перспективные направления работ на карьерном транспорте – это перевод подвижного состава на сжиженный природный газ, применение троллейвозной тяги и использование аккумуляторных батарей большой емкости.
В целом конструирование нерабочих бортов в условиях Якутии основывается на максимальном использовании прочностных свойств мерзлых пород с разработкой новых подходов, расчетных схем и методик оценки устойчивости уступов и бортов нетрадиционной конструкции, вплоть до нерабочих уступов вертикального профиля. На основе сформированной базы данных обоснованы параметры всех действующих и проектируемых алмазорудных карьеров и внешних отвалов вскрышных пород. Генеральные углы наклона бортов отрабатываемых карьеров составляют от 37 до 57°. При этом в нижней части угол наклона бортов достигает 56–66°. Профиль нерабочих бортов, как правило, двух- или трехгранный с крутой нижней частью и выположенной верхней. Все большее распространение получают нерабочие уступы полигонального профиля и в отдельных случаях уступы с вертикальным профилем высотой до 45–90 м.
Внедрение на объектах Компании инновационных технологий и современной горнотранспортной техники способствует существенному повышению эффективности открытого способа добычи, в первую очередь за счет оптимизации параметров карьеров за счет более узких транспортных съездов с крутыми уклонами, чем общепринятые; формирования высоких уступов с предельными по устойчивости углами погашения и учета фактора мерзлоты.
В целом при реализации новых конструкций бортов и уступов, новых геомеханических подходов возможно повышение генерального угла наклона бортов до 66–70° при сокращении объемов вскрышных работ на 30–50%.
Подземные горные работы
Для отработки глубоких горизонтов, разрабатываемых подземным способом, наиболее актуальными проблемами добычи являются вопросы применения высокоинтенсивных геотехнологий, отвечающих горнотехническим возможностям разработки, полноте выемки запасов, требованиям безопасности. При добыче руд с высокой стоимостью товарной продукции применение систем разработки с закладкой выработанного пространства остается наиболее приемлемым способом. Однако высокая стоимость закладочных работ ограничивает объем ее применения. Снижение затрат на данный процесс остается одной из существенных задач горного производства, решение которой обеспечит существенное повышение эффективности добычи.
Наиболее актуальным вопросом в области ведения подземных горных работ для Компании является решение проблемы возобновления добычных работ на подземном руднике «Мир», разработка запасов которого связана с производством горных работ в обводненных условиях.
Для разработки научно-технических решений по защите от затопления и водоотведению месторождения трубки «Мир» были привлечены специализированные зарубежные инжиниринговые организации, имеющие мировой опыт решения подобных задач, в том числе: ITASCA Consultants GmbH (Германия), SRK Consulting (Россия), Sight Power Inc. (Канада-ЮАР).
Все фирмы предложили два основных варианта водоотведения - водопонижение и замораживание пород. Самым надежным, по мнению всех исполнителей, считается замораживание массива. Подобный способ практически сводит к нулю риски прорыва рассолов в горные выработки, так как для деградации лёдопородного ограждения в случае аварийного отключения замораживающей системы, потребуется значительное время. Основным недостатком системы замораживания авторы считают значительное энергопотребление и высокую стоимость строительства.
Рис. 3 Реконструкция бортов карьера с созданием карьерного водоотлива на берме гор. –130 м (ширина бермы 60 м) на отметке подошвы МИВК
Институтом «Якутнипроалмаз» в рамках Концепции по восстановлению и возобновлению добычных работ на месторождении трубки «Мир» предложен альтернативный вариант открытого постоянно действующего карьерного водоотлива, сооружаемого на гор. –130 м, расположенного ниже подошвы 8-го самого водообильного коллектора метегеро-ичерского водоносного горизонта (МИВК) (рис. 3). Комплекс карьерного водоотлива должен обеспечивать сбор и удаление всего объема воды, поступающей в выработанное пространство карьера. Основной затратной частью варианта является разнос погашенного борта карьера по всему периметру до гор. –130 м.
Первый этап реконструкции карьера предусматривает восстановление съездов до отм. –130 м с целью организации карьерного водоотлива для перехвата вод МИВК и паводковых вод. В дальнейшем, карьер выполняет функцию водоулавливания и защиты рудника от затопления до момента отработки запасов подземным способом до отм. –310 м. На завершающем этапе отрабатываются запасы в интервале отм. –140/–230 м. открытым способом, что обеспечивает полноту выемки предохранительного целика и прибортовых запасов.
Освоение месторождения трубки «Мир» по предлагаемой Концепции должно выполняться поэтапно. По нашему мнению, предложенная Концепция отвечает всем требованиям безопасности при отработке запасов месторождения, решает вопросы по отработке запасов в предохранительном целике и затопленных запасов в интервале отм –140/–565 м. При этом общий объем добытой руды составит: 23 млн т. Таким образом, с учетом начала работ по строительству в 2023 г. к 2030 г. будет обеспечен доступ к запасам нижних горизонтов глубокого рудника. Срок отработки запасов глубокого рудника составит 19 лет с производительностью 1300 тыс. т/год.
Для отработки глубоких горизонтов тр. Удачная и тр. Юбилейная, разрабатываемых подземным способом, наиболее актуальными являются вопросы применения высокоинтенсивных геотехнологий, отвечающих горнотехническим возможностям разработки, полноте выемки запасов, требованиям безопасности.
Основными факторами, обусловливающими выбор систем разработки с обрушением, являются: размеры трубки месторождения, количество запасов кимберлита с невысоким содержанием кристаллов, а также требование в обеспечения высокой производительности рудника. Геотехнологии с обрушением обладают рядом существенных преимуществ, такими как: минимальные затраты на производство очистных работ по сравнению с системами с закладкой выработанного пространства, высокая интенсивность погашения запасов и производительность добычи на базе повсеместного применения самоходного оборудования.
Однако, низкая управляемость количественными и качественными параметрами обрушаемости вводит определенные ограничения на условия ее применимости на месторождении.
Обобщение опыта выемки запасов кимберлитовых трубок за рубежом свидетельствует о преобладании, на первоначальном этапе отработки месторождения, систем подэтажного и этажного принудительного обрушения с последующим переходом – по мере накопления опыта и уточнения геологических особенностей – в технологии с самообрушением. Основными факторами, определяющими эффективность геотехнологий с самообрушением, являются – способность руд и пород к обрушению и техногенному дроблению. Безопасная реализация этих процессов обусловливается выбором формы подсечки, параметров расположения выпускных выработок и режимов выпуска руды, определяющих в целом показатели полноты и качества извлечения минерального сырья из недр.
Для условий эксплуатируемого подземного рудника «Удачный» и проектируемого рудника «Юбилейный» институтом разработаны технологические регламенты на проектирование для вскрытия и отработки запасов системами с самообрушением. Для подтверждения правильности принятых технических и технологических решений в настоящее время проводится экспертирование данных работ специализированными организациями, и в случае положительных заключений разработанные геотехнологии будут приняты к внедрению на производстве.
С учетом вышеназванного дальнейшее развитие добычи кимберлитовых руд может происходить за счет совершенствования технологии открытых горных работ, комплексного открыто-подземного способа разработки, комбинированных геотехнологий.
Обогащение
Разработка и применения новых технологий и обогатительных процессов при обработке алмазосодержащих руд остается одной из существенных задач обогатительного передела. В рамках принятой в АК «АЛРОСА» «Стратегии...» выделены исследования, направленные на разработку технологии сохранного извлечения алмазов из кимберлита, способов предварительного обогащения руды, рентгенографической сепарации, усовершенствование технологий ТСС для повышения извлечения алмазов мелких классов. Данные предложения являются ключевыми в заявленной стратегии. Однако их результативность в значительной мере будет зависеть от степени научной проработки и уровня принятых технических решений.
За длительный период отработки алмазных месторождений АК «АЛРОСА» создала собственную уникальную технологию обогащения руды, обеспечивающую глубокую переработку запасов, с извлечением алмазов выше 97%, с учётом добычи трудно извлекаемой мелкоразмерной продукции 0,5 мм (рис. 4).
Рис. 4 Существующее состояние технологий обогащения
Основу схемы рудоподготовки составляют процессы самоизмельчения и гидроклассификации, которые позволяют вывести в отвал до 60% непродуктивного материала в начале технологического процесса.
Основное обогащение измельчённой руды менее 6 мм производится с применением тяжелосредной сепарации, крупные кристаллы более 6 мм извлекаются с помощью рентгенолюминесцентных сепараторов (РЛС). Алмазы менее 1,4 мм извлекаются на переделе пневмофлотации в машинах камерного типа, которые были разработаны Институтом «Якутнипроалмаз».
При доводке концентратов основного обогащения применяются также РЛС, а для алмазов крупностью –6…+2 мм – РЛС в комбинации с затратным и низкоэффективным методом липкостной сепарации. Однако, данный способ позволяет извлекать слаболюминесцирующие алмазы, составляющие методические потери рентгенолюминесцентной сепарации.
Институтом выполняются исследования, направленные на разработку новой технологии рентгенографической сепарации алмазосодержащих руд, позволяющие решить проблему извлечения слаболюминесцирующих алмазов. В ходе проведения исследований определены технические и технологические показатели работы двух энергетических рентгеноабсорбционных сепараторов – XRT-400 Aliud GmbH (Германия), разработанного по техническому заданию Института, и XRT/D TOMRA (Германия), предназначенных для обогащения руды крупностью +5 мм, а также рентгенографических сепараторов РГС-1М, РГС-2, разработанных инновационным центром «Буревестник», совместно с Институтом, для обработки материала крупностью –6…+3 мм. РГС внедрены в технологические схемы обогатительных фабрик Компании. В 2018 г. проведены технологические испытания рентгенографического сепаратора РГС-ОД-3 нового поколения, изготовленного на базе рентгенолазерной схемы, при обработке концентратов крупностью –3…+1 мм на обогатительной фабрике №16 Нюрбинского ГОКа.
РГС обладают способностью извлечения алмазов всех типов. Эффективность их применения значительно возрастает при высоком содержании в исходной руде слаболюминесцирующих алмазов высокого качества (рис. 5).
Рис. 5 Состояние и перспективы развития технологий обогащения
В краткосрочной перспективе применение рентгенографической сепарации позволит исключить затратную и низкоэффективную липкостную сепарацию, а в долгосрочной перспективе, при повышении технологических показателей и технической надёжности РГС, может заменить другие методы обогащения. Это позволит сократить эксплуатационные затраты на обработку руды, а также сократить капитальные затраты на новые проекты, в том числе связанные с освоением беднотоварных месторождений.
В рамках исследований, направленных на разработку технологии сохранного извлечения алмазов из кимберлитов, значительные перспективы открывает технология стадиального дробления исходной руды, внедрение которой становится актуальным в связи с переходом на подземный способ добычи рудного сырья. При комбайновой отбойке руды, последующее раскрытие минералов в энергоёмких мельницах самоизмельчения становится неэффективным в связи с отсутствием крупных кусков руды, являющихся основной мелющей средой.
В сложившихся условиях стадиальное разрушение руды имеет преимущества, как по степени сохранности алмаза, так и по энергоёмкости процесса. При сравнении двух технологий рудоподготовки на фабрике №3 по степени разрушения природных и синтетических алмазов было подтверждено, что режим стадиального дробления более сохранный. В перспективе возможность внедрения данной технологии будет рассматриваться на других фабриках компании.
Эффективное освоение месторождений возможно только в результате применения современных технологий обогащения, способствующих уменьшению себестоимости процессов и обеспечивающих Компании долгосрочное технологическое лидерство в алмазодобыче.
Сопутствующие направления исследований
Экология
Проводимые исследования в области экологии позволят определить негативное воздействие предприятий Компании на окружающую среду, выявить возможные источники загрязнения и разработать комплекс мероприятий по предотвращению загрязнений водных объектов, атмосферного воздуха и почв в зоне производственной деятельности Компании. С этой целью в области экологии и охраны окружающей среды будет выполнен комплекс аналитических исследований проектов, получены разрешения на выбросы и лимиты на размещение отходов.
Энергоэффективность
Снижение энергетических затрат на добычу одного карата товарной продукции является существенным резервом эффективного управления производственными процессами. Создание новых технологий и возможное применение альтернативных топлив, планируемых к разработке в рамках формируемой программы перспективных научных исследований, позволят резко сократить затраты на энергоресурсы и обеспечат достижение физически обоснованного предела на добычу и переработку алмазосодержащего сырья.
678174, Республика Саха (Якутия) г. Мирный, ул. Ленина, д. 39
e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
