Актуальность работы. Тенденция развития золотодобычи в России свидетельствует о снижении объемов производства и сокращении минерально-сырьевой базы золота. Несмотря на известный перевес мелкого золота в объеме мировой добычи, в России основная часть добычи определяется крупным и очень крупным золотом. Вместе с тем в литосфере на золото фракции 0.9−0.001 мм приходится около 75% и основные резервы поисков, разведки и добычи ближайшего будущего, несомненно, связаны с мелким и тонким золотом.
Техногенные россыпи и мелкое золото песчано-гравийных месторождений — важнейший резерв золота в общем балансе его российской добычи. Оценка, изучение перспектив их использования признаны приоритетным направлением ведения геологоразведочных работ. Мелкое и тонкое золото в свободном виде установлено в месторождениях песчано-гравийных смесей (ПГС), цирконий-титановых россыпях, месторождениях железистых кварцитов, угля, фосфоритов, калийно-магниевых солей.
Песчано-гравийные аллювиальные месторождения благодаря особенности своего формирования концентрируют в основном тонкое и мелкое золото. Его содержание в аллювии составляет от первых до нескольких сотен миллиграмм на куб. метр. Однако широкие масштабы разработки песчано-гравийных месторождений и прогрессивные технологии его извлечения, как показывает практика США, ЮАР, Австралии, Монголии, делают рентабельным производство золота. Разработка золотосодержащих песчано-гравийных месторождений — проблема комплексная, включающая геологические, технологические, экономические, экологические и организационные аспекты. Важная роль в решении указанной проблемы принадлежит геологическим аспектам. Поэтому разработка системы геологического обеспечения рудоподготовки золотосодержащих песчано-гравийных месторождений является актуальной научной задачей.
Целью диссертационной работы является установление пространственно-качественной структуры золотосодержащих месторождений ПГС и обоснование технологических решений их разработки для комплексного использования минерального сырья.
Идея работы состоит в том, что геолого-промышленная оценка и обоснование технологических схем рудоподготовки золотосодержащих песчано-гравийных месторождений осуществляются на основе анализа флювиальных форм рельефа, геоморфологии речных долин и закономерностях пространственной изменчивости геолого-технологических показателей песчано-гравийных месторождений.
Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:
1. Пространственно-качественная структура золотосодержащих месторождений ПГС обусловлена соотношением динамических фаз аллювиальных отложений и описывается аддитивными моделями изменчивости структурных, морфологических и качественных показателей. Зональность сопряжена с пространственно-временной эволюцией рудной системы месторождений ПГС.
2. Методика локального прогноза золотосодержащих участков на месторождениях ПГС, отличающаяся тем, что для выделения и районирования зон тонкого и мелкого золота используется геоиндикатор «соотношение динамических фаз аллювия ПГС», характеризующий инстративную, перстативную и констративную фазы аллювия, динамика и соотношение которых аппроксимируются параболической зависимостью, связывающей концентрацию золота и глинистого материала на месторождениях ПГС.
3. Технические решения по обоснованию технологических схем открытой разработки золотосодержащих месторождений ПГС, учитывающие пространственно-качественную структуру золотосодержащих участков и соотношение динамических фаз аллювия при комплексном использовании месторождений песчано-гравийных пород.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: представительным объемом данных, характеризующих пространственно-качественную структуру золотосодержащих месторождений песчано-гравийных смесей и использованных в качестве основы для установления закономерностей;
— корректностью применения статистических и геостатистических методов, характеризующих изменчивость геолого-промышленных месторождений песчано-гравийных смесей;
— удовлетворительной сходимостью расчетных (прогнозных) и фактических данных о качестве сырья золотосодержащих месторождений песчано-гравийных смесей;
— положительной апробацией результатов диссертации при разведке и геолого-промышленной оценке золотосодержащих участков Вяземского месторождения.
Методы исследований. В работе использованы следующие методы исследования, позволившие реализовать идею работы: методы математической статистики и теории вероятностей, геостатистики для установления пространственно-качественной структуры золотосодержащих участков месторождений песчано-гравийных смесейметоды кластерного анализа для выделения золотосодержащих участков месторожденийметоды графического моделирования и геометрии недр для районирования месторождений.
Научное значение работы состоит в установлении пространственно-качественной структуры золотосодержащих месторождений песчано-гравийных смесей и обосновании геоиндикатора золотоносности локальных участков песчано-гравийных месторождений, позволяющих обосновать технологические схемы рудоподготовки месторождений для комплексного использования минерального сырья песчано-гравийных месторождений.
Практическое значение работы заключается в разработке методики локального прогноза золотосодержащих участков месторождений песчано-гравийных смесей, алгоритмов и программ геостатистической оценки и районирования месторождений, а также в обосновании технологических решений по разработке песчано-гравийных месторождений, содержащих мелкое и тонкое золото.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Методика локального прогноза золотосодержащих участков месторождений ПГС и технические решения по разработке месторождений приняты к использованию ПК «Гидромехпроект».
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и получили одобрение на научном симпозиуме «Неделя горняка» в 2004 г., на VIII международном симпозиуме «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземного строительства в сложных гидрогеологических условиях» (г. Белгород, 2005 г.), на семинарах кафедры геологии МГГУ (2003;2005 гг.).
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 5 работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 9 таблиц, 45 рисунков и список литературы из 113 наименований.
Выводы.
1. Локальный прогноз рудных объектов различного масштаба должен базироваться на всестороннем комплексном изучении закономерностей рудонакопления, а также на выделении, прежде всего, комплекса факторов и признаков формирования объектов различного ранга и оценки их значимости в этом процессе. В этой связи представляется необходимым также оценивать значимость этих факторов (признаков) как критериев прогнозирования геолого-промышленных объектов различного масштаба. На этом основании можно выделить комплексы и ведущие критерии (геоиндикаторы),.
Рис. 3.3. Фрагмент плана распределения геоиндикатора GI на Вяземском месторождении ПГС.
AU=-19.1419+542.108*GI-1023.963*GI2−750.455*GI3.
Рис. 3.4. Зависимость золота общего и геоиндикатора GI.
AUg=-9.73 815+340.222*GI-614.9577*GI+465.6106*GI3.
Рис. 3.5. Зависимость золота гравитационного и геоиндикатора GI информативность и значимость которых наиболее значима как при локальном прогнозе, так и собственно геологопромышленной оценке объектов различного уровня.
2. Обоснован геоиндикатор «Соотношение фаз аллювия ПГС», представлящий собой интегрированный показатель гетерогенной пространственно-качественной структуры месторождений ПГС, характеризующий динамические фазы аллювия — инстративную, перстративную и констративную, которые аппроксимированы параболической зависимостью третьей степени с учетом концентрации тонкого и мелкого золота в ПГС.
3. Разработана методика и программное обеспечение выделения и районирования золотосодержащих участков ПГС, базирующаяся на обосновании оптимальных (наиболее информативных признаков) методами факторного анализа с нормированием (стандартизацией) факторов и «контрастно-группового анализа» статистических данных, характеризующих качественное состояние, геоморфологию и строение толщи месторождений ПГС.
ГЛАВА 4. ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ ЗОЛОТА НА ПЕСЧАНО-ГРАВИЙНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ.
4.1. Открытая разработка россыпных месторождений — основа технологий рудоподготовки золотосодержащих месторождений ПГС.
Все технологические схемы разработки россыпных золотоносных месторождений связаны со значительным потреблением водных ресурсов [56, 79, 97, 107, 110]. Небольшие россыпи с низкими коэффициентами вскрыши (Кв—>0) и высоким содержанием полезного компонента разрабатываются, в основном старательскими артелями с применением средств малой механизации [107].
Крупные россыпи принято разрабатывать открытым способом, обеспечивающим высокую производительность оборудования. Глубина открытой разработки россыпей редко превышает 20 м. На россыпях породы продуктивных отложений и вскрышные породы имеют одинаковый литологический состав. При открытом способе разработки климатические условия играют важную роль.
Открытая разработка россыпей характеризуется небольшими капитальными затратами и минимальными сроками ввода в эксплуатацию россыпей (от нескольких месяцев до двух лет) в зависимости от технологии разработки и обогащения. Это позволяет вводить в эксплуатацию россыпи с пониженным содержанием полезного компонента и небольшими запасами горной массы. Попутная добыча полезного ископаемого обусловливает еще большее снижение кондиций и запасов и ограничивается лишь технической возможностью извлечения полезного компонента при обогащении.
Разработка россыпей характеризуется следующими особенностями совмещением процессов добычных работ, обогащения и извлечения полезного компонента и обеспечением. поточной технологии в каждом грузопотокевыполнением подготовительных, вскрышных и добычных работ, как правило, одним оборудованиемсовмещением процессов выемки, транспортирования, отвалообразования в одном универсальном • многооперационном оборудованиипреимущественным использованием высокоманевренного оборудования в связи с ограниченными размерами полигоновсовмещением вскрышных работ с подготовительными и рекультивационными работаминеобходимостью обеспечения значительными водными источниками для промывки горной массынепрерывностью процесса подготовки россыпи к эксплуатации с начала освоения разработки.
Подготовительные работы, связанные с зачисткой карьерного поля от растительности, почвенного слоя и валунов, а также дренажные работы на большинстве россыпных месторождений занимают достаточно большую часть от общего объема горных работ. Это также связано с привлечением дополнительных механизмов и даже созданием технологических комплексов оборудования, что в конечном итоге повышает себестоимость добычи золота. Можно выделить:
— технологические комплексы подготовительных работ, включающие оборудование для рубки и транспортировки леса или уборки кустарника, корчевания пней, снятия почвенно-растительного слоя и складирования его во временные склады. Сюда также могут входить механизмы, предназначенные для уборки или разрушения валунов, проходки дренажных канав и т. п.- технологические комплексы вскрышных работ включают оборудование для подготовки вскрышных пород к выемке, разработки, вскрыши, транспортирования и ее складирования в отвалытехнологические комплексы добычных пород включают оборудование для добычи, перемещения и обогащения золотосодержащих песков, а также транспортирования и складирования хвостов обогащения.
Эти комплексы взаимосвязаны и представляют довольно сложные системы механизации процессов открытых горных работ. Естественно, технологические комплексы, совмещающие эти виды работ наиболее целесообразны к эксплуатации. К ним, в первую очередь, необходимо отнести гидромеханизированные комплексы (гидромониторно-землесосные, земснаряды, драги и т. п.).
Глубина залегания россыпи и гидрогеологические условия обусловливают выбор структуры комплексной механизации. Применение мощного оборудования позволяет разрабатывать россыпи с глубиной залегания до 50 м и более. Маневренное оборудование выемочно-транспортного типа (бульдозеры, скреперы, погрузчики) применяется на россыпях малой мощности (~5 м) и разрабатывают вскрышную толщу и полезную залежь послойно (рис. 4.1). При увеличении глубины залегания и мощности россыпи применяется оборудование, способное разрабатывать горный массив на полную мощность (экскаваторы различного типа, земснаряды, драги) с добавлением в качестве транспортного звена автосамосвалов или конвейеров (рис. 4.2−4.4). Комплексное использование месторождения (попутная добыча) позволяет значительно увеличить глубину разработки при снижении себестоимости добычи полезных ископаемых.
В настоящее время только около 20% объемов добычи золота приходится на глубокие россыпи, разрабатываемые, в основном (более 50%), драгами. Имеется опыт разработки уступов до 50 м 600-литровыми драгами и 30-метровых уступов 380-литровыми [18, 57, 70, 85, 62, 67, 101, 107].
Рис. 4.1. Схема разработки россыпей с применением гидромеханизированных комплексов и бульдозеров скреперов, погрузчиков).
На — добычной уступНс — вскрышной уступ- 1 — плотик- 2 — неразбираемый слой- 3 — землесос- 4 — гидромонитор;
5 — гидровашгерд (промывочный прибор) — 6 — бульдозер (скрепер, погрузчик) — ->полезное ископаемое — вскрыша.
А. А.
Рис. 4.2. Схема разработки россыпей с применением экскаваторов и гидромеханизированных комплексов На — добычной уступНй — вскрышной уступ- 1 — плотик- 2 -неразбираемый слой- 3 — землесос- 4 — гидромонитор- 5 — гидровашгерд (промывочный прибор) — 6 — экскаватор-драглайн- 7 — роторный экскаватор Ф.
Рис. 4.3. Схема разработки россыпей с применением экскаваторов, бульдозеров, скреперов и гидромеханизированных комплексов Н,) — добычной уступHff — вскрышной уступ- 1 — плотик- 2 -неразбираемый слой- 3 — землесос- 4 — гидромонитор- 5 — гидровашгерд (промывочный прибор) — 6 — драглайн- 7 — скрепер- 8 — бульдозер
Рис. 4.4. Технологическая схема разработки россыпей с применением: а) экскаваторов-драглайнов, бульдозеров, скреперов и гидромеханизированных комплексовб) обводнением добычного уступав) драглайнов, мехлопат, автосамосвалов, бульдозеров, и драги земснарядов).
Нэ — добычной уступНв — вскрышной уступ- 1 — плотик- 2 — неразбираемый слой- 3 — землесос- 4 — гидромонитор- 5 — бульдозер- 6 — драглайн- 7 — скрепер- 8 — уровень БВГ- 9 — мехлопата- 10 — автосамосвал- 11 — драга.
Следует отметить, что при разработке глубоких россыпей вскрышные работы обеспечивают повышение степени использования оборудования и уменьшение затрат на разработку. Кроме того, для россыпей, где вскрышные породы представлены глинистыми отложениями, их удаление обеспечивает уменьшение содержания фракций менее 0.001 мм (более чем на 40%) при очистке стоков технологической воды, что позволяет уменьшить объем строительства гидротехнических сооружений для осветления сточных вод. На некоторых предприятиях увеличение объемов вскрышных работ позволяет улучшить сырьевую базу путем ввода в эксплуатацию запасов, ранее отнесенных к забалансовым.
Опыт разработки россыпных месторождений средней полосы России свидетельствует о высокой эффективности гидромеханизированных технологий. На глубоких россыпях Урала 70−80 гг. прошлого века весьма эффективно использовались комбинированные схемы, при которых рыхление золотосодержащих песков производилось экскаваторами, а дальнейшие операции выполнялись гидромеханизированным оборудованием. Использование скреперов на вскрыше позволяет одновременно строить плотины для оборотного водоснабжения [18, 70].
Опыт использования комбинированных комплексов механизации свидетельствует об их эффективности вследствие повышения глубины разработки, снижения потерь, увеличения производительности и уменьшения затрат. Применение мощных драглайнов при разработке глубоких россыпей позволяет резко увеличить объемы вскрышных работ. Технологическую схему с многократной перевалкой пород экскаваторами используют при мощности вскрыши до 20 м (в том числе до 10 м ниже уровня воды). Особый интерес представляет опыт работы с использованием драглайнов ЭШ-15/90, ЭШ-4/40, ЭШ-10/60 на дражных полигонах. Средняя продолжительность рабочего сезона экскаваторов составляет 230−240 дней [57, 97, 101].
Наличие глинистой составляющей в породах влечет резкое увеличение потребности технологической воды (особенно на размыв и. промывку породы).
Оценивая в целом отечественный и зарубежный опыт разработки россыпных месторождений, можно отметить, что наиболее высокий уровень технологичности достигнут на гидромеханизированных разработках [54]. Например, в Бразилии близ Диамантина успешно применяются фрезерный земснаряд IBM Beaver и драга, работающие по следующей схеме. Земснаряд с фрезерным рыхлителем вверху по течению реки разрабатывает вскрышу, а драга внизу по течению разрабатывает золотоалмазную россыпь со сбросом хвостов в выработанное пространство. Мощность вскрыши достигала 5−7 м, пульпа складировалась позади дамб, построенных из эффельных гравийных пород. Оборотная вода поступала в реку после фильтров, встроенных в дамбы [100]. Представляет интерес разработка старого месторождения россыпного золота в Колумбии на приисках в низовьях долины Nechi River. Средняя глубина залежи составляет 25 м, мощность вскрышных пород, представленных старыми хвостами, глиной и илами, достигает 17.5−21.5 м, а золотоносные пески имеют мощность 2.5−7.5 м. Здесь применяется схема, при которой три роторных земснаряда IHC Beaver разрабатывают вскрышу, а драги добывают золото [100].
Физическое состояние русловых россыпных месторожденийотносительно свободный текучий песок с включениями гравия. Это доказывает схема работы землесосных снарядов на проекте RBM в Южной Африке. Роторные земснаряды подают разрабатываемые отложения (после вскрытия участка) на плавучую обогатительную установку общей производительностью до 7000 т/час. После предварительной сепарации концентрат перекачивается на береговую обогатительную фабрику [111].
Следовательно, эффективно использование как дражной системы разработки, так и применение землесосных снарядов в комплексе с обогатительными установками (плавучими или береговыми).
Современные драги оснащены обезвоживающими классификаторами, грохотами, отсадочными машинами, передвижными резиновыми покрытиями шлюзов, аппаратурой и оборудованием для амальгамации и доводки мелкого класса металла. Все это позволило довести извлечение полезных компонентов до 97%. На алмазодобывающих драгах применяется ряд новшеств, которые позволили увеличить производительность драг в 1.5−2 раза по сравнению с проектной.
На глубоких материковых россыпях наиболее эффективно использование гидромониторно-землесосных комплексов с гидровашгердами. Этот способ позволяет разрабатывать россыпные месторождения с глинистыми включениями с достаточно цолным извлечением полезного компонента. Повышение эффективности работ достигается за счет предварительного рыхления пород бульдозерами, рыхлителями, экскаваторами или взрыванием. Применение фронтальных погрузчиков в комплексе с автосамосвалами уменьшает затраты на погрузку на 20% по сравнению с погрузкой экскаваторами.
Разработка глинистых россыпей осложняется не только трудностью обогащения, но и необходимостью более тщательной очистки отработанной воды. Имеется достаточно обширный опыт очистки стоков с помощью поверхностно-активных веществ (ПАВ), использования технологий очистных сооружений городов [81]. Увеличение мощности используемого оборудования способствует увеличению глубины разработки, ширины и длины отрабатываемых блоком (до 150−200 м и 400−500 м соответственно).
Имеется опыт применения дополнительных классификаторных и дезинтегрирующих установок для переработки хвостов промывки в строительный материал, однако, добыча рассеянного золота из добываемого строительного песка и гравия достаточного отображения и развития не нашла. Попутная добыча с применением основного технологического оборудования или с вводом специального дополнительного в небольших объемах значительно снижает затраты на горные работы.
Оценивая опыт разработки глубоких россыпей, можно сделать вывод об эффективности применения мобильного компактного высокопроизводительного оборудования — гидромониторов с дистанционным управлением, легких землесосов (способных монтироваться в блоки установок), плавучих и передвижных обогатительных установок и т. д. Целесообразно рассмотреть вопрос о возможности использования композиционных материалов для изготовления оборудования и гидротранспортных систем. Размыв предварительно увлажненных пород (подача напорной и безнапорной воды на глинистый или суглинистый уступ) и предварительно разрыхленных пород производится с целью уменьшения энергетических затрат и повышения степени извлечения полезного компонента.
4.2. Технология попутной отработки золотосодержащих участков месторождений ПГС.
Оценка целесообразности попутной разработки золотосодержащих месторождений ПГС должна производится с учетом комплекса факторов. Одна из основ — доступность запасов и ресурсов. В аналитической записке Президенту РФ «О сырьевой безопасности России в XXI веке» под доступностью понимается экономическая возможность освоения месторождений. Однако экономическая целесообразность подразумевает высокую продажную стоимость минерального сырья, которая обратно пропорциональна содержанию химических элементов в земной коре (кларк золота 4.3−10~б%) [65]. Но доступность является характеристикой изменяющейся, в первую очередь, во времени. Она зависит от трех факторов: состояния ресурсов, существующей потребности в них и технологического уровня освоения месторождения. Применительно к нашей задаче приоритетными являются первый и последний, т.к. они оба находятся в сфере инженерной деятельности. Состояние золотой россыпи будет меняться при добыче вмещающих пород, как основного полезного ископаемого. В этом случае себестоимость попутной добычи золота естественно будет значительно ниже, чем при разработке этого месторождения, как Собственно золотоносного. То есть, возможность попутной добычи различных минеральных ресурсов делает каждое. отдельное полезное ископаемое более доступным. Это, в свою очередь, позволяет повышать технологический уровень горнодобывающих работ на месторождении в целом и по добычным участкам.
Существующий опыт разработки отечественных россыпных месторождений, как показано в разделе 4.1, обусловлен достаточно простыми условиями залегания и обогащаемости россыпей северо-восточных районов России, представленных песками с малым содержанием глин и относящихся к категориям легкои среднеразмываемых [6, 44]. Поэтому до 1943 года предварительной дезинтеграции песков (удаление глинистых частиц) не производилось. Рассыпное золото Европейской части России залегает в раздельно-зернистых горных породах, содержащих глины и илы. В случае если последний компонент содержится в связных породах, предварительное дезинтегрирование минерального сырья должно являться обязательным условием последующего обогащения.
Как было отмечено в главе 1, различают следующие разновидности россыпей: аллювиальные, пролювиальные, делювиальные, ложковые, элювиальные, озерные, подводные (морские, речные). Наиболее распространены аллювиальные, делювиальные и пролювиальные россыпи.
Применительно к российским условиям наибольшее распространение имеют месторождения первых двух типов. Речные россыпи сформированы поверхностным речным стоком, поэтому приурочены к руслам рек, что определяет их значительную протяженность и ограниченную ширину. Мощность пласта в пределах 0,4−4,0 м.
Следовательно, эффективность технологий, применяемых при разработке таких месторождений, в значительной мере будет определяться климатическими условиями. В табл. 4.1 приведены данные об эффективности применения самого распространенного способа «разработки россыпных месторождений — дражного:
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи установления пространственно-качественной структуры золотосодержащих месторождений песчано-гравийных смесей и обоснования технологических решений их разработки для комплексного использования минеральных ресурсов, что вносит существенный вклад в теорию и практику горнопромышленной геологии и геотехнологии открытых горных разработок.
Основные научные результаты, выводы и рекомендации, полученные при выполнении исследований и внедрении разработок, заключаются в следующем:
1. Установлено, что пространственно-качественная структура золотосодержащих месторождений ПГС обусловлена соотношением динамических фаз аллювиальных отложений и описывается аддитивными моделями изменчивости (сферические модели с эффектом и без эффекта самородков, линейные и экспоненциальные модели) структурных, морфологических и качественных показателей тонкого и мелкого золота. Зональность сопряжена с пространственно-временной эволюцией системы месторождений ПГС.
2. Доказано, что инстративная, перстативная и констративная фазы аллювия характеризуют соотношение динамических фаз аллювиальных отложений на месторождениях ПГС. Предложен геоиндикатор «соотношение динамических фаз аллювия ПГС», характеризующий соотношение динамических фаз аллювиальных отложений, который аппроксимируется параболической зависимостью и связывает концентрации золота и глинистого материала.
3. Разработана методика локального прогноза золотосодержащих участков на месторождениях ПГС, обеспечивающая комплексность учета геологопромышленных параметров песчано-гравийной смеси с тонким и мелким золотом, диагностику золотосодержащих участков ПГС на основе взаимосвязи между общим и гравитационным золотом и геолого-промышленными параметрами ПГС. Разработаны модели и программное обеспечение графо-аналитического моделирования пространственно-качественной структуры месторождений ПГС и районирования участков, содержащих тонкое и мелкое золото.
4. Дано обоснование технологии открытых горных разработок при комплексном использовании минерального сырья ПГС, отличающейся тем, что система разработки учитывает пространственно-морфологические особенности размещения золотосодержащих участков при их продольном, поперечном или локальном (гнездовом) расположении на месторождениях песчано-гравийных смесей.
5. Обоснованы технологические схемы вскрышных и добычных работ с селективной выемкой при использовании автомобильного или железнодорожного транспорта на необводненных песчано-гравийных месторождениях при наличии на них золотосодержащих участков с учетом вертикальной зональности на месторождениях ПГС тонкого и мелкого золота.
