Подземные комплексы по добыче и переработке минерального сырья — предприятия XXI века
Тенденция создания в подземном пространстве промышленных и гражданских объектов различного назначения прослеживается с 30-х годов текущего столетия.
В настоящее время в горных выработках размещают заводы и фабрики, газо- и нефтехранилища, электростанции, холодильники и т.д..
В горной промышленности концентрация в подземном пространстве процессов добычи и переработки полезных ископаемых прослеживается с середины 50-х годов, когда на подземных рудниках начали применять комплексы подземного дробления руды. Затем появились первые подземные обогатительные фабрики (ОФ) с полным или частичным циклом обогащения (табл. 1). Все известные подземные горно-обогатительные комплексы приурочены к предприятиям золотодобывающей промышленности и цветной металлургии — отраслям горной промышленности с наиболее высоким уровнем выхода отходов, достигающим 90–98%. Это объясняется несколькими обстоятельствами.
С увеличением глубины горных работ и снижением содержания полезных компонентов в руде на транспорт, подъем и размещение на поверхности отходов горно-обогатительного производства в виде отвалов пустых пород и хвостохранилищ задалживается до 25% себестоимости продукции. Ареал распространения образующихся при этом вредностей путем проникновения их в почву и воздушный бассейн достигает нескольких десятков километров. По негативным воздействиям на окружающую природную среду горная промышленность в целом занимает первое место среди других отраслей промышленности. Учитывая эти обстоятельства, на некоторых предприятиях осуществляется перенос процесса обогащения под землю, даже при наличии действующей фабрики на поверхности.
Анализ опыта создания подземных ОФ на зарубежных предприятиях показывает, что преимущества, возникающие при переносе процессов обогащения под землю, используются не в полной мере.
Это касается, в первую очередь, объемно-планировочных решений, которые практически полностью копируют цеховую компоновку наземных ОФ, где оборудование размещается в плоскости, что влечет за собой необходимость использования значительного числа конвейерных и гидравлических передаточных устройств. Вместе с тем, размещение ОФ в горном массиве позволяет использовать вертикальную компоновку оборудования, обеспечивающую самотек перерабатываемого сырья и пульпы.
Заложение ОФ в горном массиве открывает также возможности для использования горных выработок в качестве емкости элементов обогатительных агрегатов и технологических устройств, которые являются объемно-емкостным оборудованием. Сюда относятся бункера, течки, камеры флотомашин и сгустителей, фильтрующие устройства и т.п. Сочетание горной выработки с конструкцией заводского изготовления позволит существенно сократить строительный объем подземной ОФ. Так, использование восстающих в качестве камер флотомашин сокращает объем флотационного отделения фабрики в 8–10 раз по сравнению с размещением этих агрегатов в карьере, как это принято за рубежом, например, на фабрике Андина в Чили (Tony Brewis. Andina develops for the future. Mining magazine. February 1995). При этом одновременно уменьшается число перекачивающих насосов.
Нахождение фабрики в непосредственной близости к очистным работам ведет к изменению схемы вскрытия рудника с большим сокращением объемов горно-капитальных работ на строительство его рудовыдачного комплекса.
Эти решения реализованы в ряде проектных проработок, выполненных институтами «Гипроцветмет» и «Механобр» применительно к нескольким предприятиям цветной металлургии, отличающимся горно-геологическими условиями и масштабами производства. Технико-экономические показатели некоторых из этих предприятий приведены в табл. 2, из которой видно, что капитальные вложения и эксплуатационные затраты на них соответственно ниже на 5–25% и на 14–20% по сравнению с вариантами наземных ОФ. При этом кардинально решались вопросы экологической безопасности предприятия.
Проиллюстрируем сказанное на примере проектирования подземной ОФ на базе Ново-Учалинского месторождения свинцово-цинково-колчеданных руд.
Благоприятствующими предпосылками для создания здесь подземной ОФ являются:
- промышленное рудное тело залегает на значительной глубине от поверхности в интервале 600–1500 м;
- промплощадка будущего рудника удалена от действующей Учалинской ОФ на 2.5 км;
- массив горных пород представлен монолитными устойчивыми диабазами с коэффициентом крепости 10–15 по шкале М.М.Протодьяконова, что позволяет осуществить проходку выработок для ОФ с минимальными затратами на проходку и крепление;
- возможность захоронения в выработанном пространстве отходов горно-обогатительного производства, в том числе токсичных пиритсодержащих продуктов, позволит снизить техногенную нагрузку на экосистему региона, потенциальная емкость которого в экологическом отношении практически исчерпана.
Ведущая идея предлагаемой технологии заключается в том, что добытая руда проходит первичную стадию обогащения — коллективную флотацию — на подземной ОФ с захоронением основной массы отходов в выработанном пространстве в качестве компонентов закладочных смесей, а доводку полученного коллективного концентрата и заключительные операции производят на поверхности на действующей Учалинской ОФ.
Проработано несколько вариантов размещения подземной ОФ, один из которых представлен на рисунке. Этот вариант предполагает размещение подземной ОФ и закладочного комплекса между двумя стволами — Скиповым и Закладочным, размещаемыми на Северном фланге месторождения.
Вскрытие месторождения осуществляется вертикальными стволами, а также горизонтальной сбойкой и автоуклоном, проходимыми от действующего Учалинского рудника. Скиповой ствол проходится с использованием этих подходных выработок снизу вверх до отметки приемных бункеров подземной ОФ.
Помимо сокращения глубины Скипового ствола на 400 м, Закладочного на 600 м, такая схема вскрытия позволяет приблизить ствол к рудному телу и в 1.5–2 раза уменьшить длину квершлагов. Общее сокращение объемов горно-капитальных работ по сооружению рудовыдачного комплекса со слепыми Скиповым и Закладочным стволами составляет 75 тыс.м3, что сопоставимо с объемом камерных выработок для подземной ОФ и закладочного комплекса.
Место заложения закладочного комплекса принято из условия обеспечения самотечной доставки закладочных смесей к границам месторождения. Это требование выполняется при размещении месторождения внутри конуса растекаемости закладочной смеси. Под термином «конус растекаемости смеси» понимается конус с вершиной в точке приема готовой смеси, образующая которого наклонена к горизонту под углом a=arctg (H/L), где H и L, соответственно, длина вертикального и горизонтального участков закладочного трубопровода, обеспечивающих самотек закладочной смеси. Значение Н:L находится в интервале 1: 3 и 1: 4 .
Фабрика выполняется по высотной схеме в двух уровнях. На верхнем уровне осуществляется рудоподготовка, на нижнем — измельчение и приготовление закладочной смеси. Флотация производится во флотомашинах колонного типа, емкостной частью которых являются восстающие, пройденные в целике между двумя уровнями ОФ. Такая компоновка позволяет свести к минимуму строительный объем подземной ОФ и обеспечивает самотек руды и пульпы.
Технологическая схема подземного горно-обогатительного комплекса включает следующие основные элементы. Добытая руда по рудоспуску 1 (см. рис.) поступает в камеру подземного дробления 2, где проходит стадию крупного дробления. Дробленая руда в дозаторной 3 грузится в скипы, которыми по Скиповому стволу 4 поднимается на горизонт подземной ОФ, где разгружается в приемный бункер 5.
Из бункера руда поступает в дробилку 6, где проходит стадии среднего и мелкого дробления, достигая крупности щебня. После этого руду подают на транспортер 7, где она проходит через датчик контроля содержания металлов 8. В конце этого транспортера установлена разделительная воронка 9, оборудованная перекидным шибером. При сигнале датчика «руда» работает раструб воронки, направляющий поток кондиционной руды в бункер 10. При сигнале «порода» шибер перекидывается, открывая раструб, через который порода сбрасывается на транспортер 11, который подает ее в породоспуск 12, где она аккумулируется. Порода может быть использована в качестве щебня для нужд рудника (для приготовления бетона, балластировки путей, в составе закладочных смесей), а также для нужд строительства на поверхности. В последнем случае щебень выдается на гора через ближайший ствол. Для закладки щебень по породоспуску 12 подается на соответствующий закладочный горизонт и механическим транспортом доставляется к закладываемым камерам, куда одновременно подастся литая закладочная смесь.
Мелко дробленая руда из бункера 10 подастся к мельницам 13, а затем в виде пульпы по скважине перекачивается в гидроциклон 14, откуда продукт кондиционной крупности поступает во флотомашины 15.
Полученный коллективный концентрат по трубопроводу 16 выдается на поверхность и гидротранспортом передается на действующую Учалинскую ОФ, где проходит селективную флотацию и завершающие операции
Хвосты обогащения после сгустителя 17 подаются в приемную воронку 18, куда с поверхности по трубопроводам 19 и 20 подается цементное и известковое молоко. Эти компоненты перемешиваются в двухвальном смесителе 21, затем — в активаторе 22, откуда готовая закладочная смесь по трубопроводу 23, проложенному по Закладочному стволу 24 поступает на соответствующий закладочный горизонт.
Опыт эксплуатации колчеданных месторождений, в том числе Учалинского, показал, что складирование на поверхности в стволах и хвостохранилищах пиритсодержащих продуктов ведет к заражению окружающей местности и грунтовых вод в радиусе 12—15 км. Поэтому применительно к Ново-Учалинскому месторождению рекомендуется предусмотреть захоронение этих продуктов в выработанном пространстве по одному их двух возможных вариантов. По первому варианту пиритсодержащие продукты включают в состав закладочной смеси совместно с хвостами коллективного обогащения. Второй вариант предусматривает извлечение пиритов в самостоятельныьй продукт, который используют для закладки камер 2-й очереди или складируют в отработанных выработках Учалинского рудника и в чаше отработанного карьера. В этом случае при благоприятной экономической конъюнктуре пиритный концентрат может быть извлечен и реализован в качестве товарной продукции.
Обобщая опыт эксплуатации и проектирования подземных горно-обогатительных комплексов, можно сделать следующие выводы:
- размещение обогатительной фабрики в непосредственной близости от очистных забоев на 15–25% позволяет сократить затраты на подъем и транспортировку руды;
- использование отходов горно-обогатительного производства (пустых пород и хвостов обогащения) в составе закладочных смесей и сокращение длины их транспортировки на 30–50% удешевляет закладочные работы. При этом за счет снижении расслаиваемости закладочных смесей сохраняются их прочностные свойства;
- отпадает (полностью или частично) необходимость строительства хвостохранилищ;
- обогащение руд на подземной ОФ может быть выполнено по высотной схеме, чем обеспечивается самотечный транспорт сырья и пульпы и, что не менее важно, при этом на 30–40% сокращаются строительные объемы по сравнению с наземным вариантом;
- концентрация в подземном пространстве процессов добычи и переработки руды с захоронением отходов производства в отработанных горных выработках резко повышает экологическую безопасность горно-обогатительного производства.
Таким образом, освоение новых рудных месторождений с использованием технологии подземного обогащения может существенно повысить их конкурентоспособность.