Подземные комплексы по добыче и переработке минерального сырья предприятия XXI века

Ю.Д.Шварц, канд.техн.наук (Гипроцветмет)

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.

Журнал "Горная Промышленность" №1 2000