Обоснование способа подготовки массива вкрапленных медноколчеданных руд к подземному выщелачиванию при комбинированной разработке месторождений

Резкое сокращение балансовых запасов, отмеченное в настоящее время на многих разрабатываемых рудных месторождениях, ведет к истощению минерально-сырьевой базы горнодобывающих предприятий. При этом, принятые в проектах и широко применяющиеся физико-технические способы добычи не позволяют вести эффективную отработку всех промышленных запасов. Часть уже вскрытых запасов не вовлекается в эксплуатацию. Так, за проектными контурами карьеров в бортах и основаниях остаются выклинивающиеся или распределенные по периметру рудные участки. На рудниках не полностью отрабатываются бедные и труднообогатимые руды, а также маломощные рудные залежи, отдалённые локальные рудные тела и запасы, расположенные в неблагоприятных горно-геологических условиях. Особенно остро эта проблема стоит на медноколчеданных месторождениях Южного Урала. Вместе с тем достижения фундаментальных исследований последних лет в области геологии, физики, химии, комбинированной геотехнологии обеспечивают реальную возможность повышения полноты и комплексности освоения месторождений за счет вовлечения вкрапленных руд в промышленное использование методами выщелачивания.

Учитывая, что большинство разрабатываемых в настоящее время медноколчеданных месторождений Урала находятся в стадии доработки, перспективным направлением расширения минерально-сырьевой базы является вовлечение забалансовых залежей вкрапленных руд в разработку методом подземного выщелачивания. Внедрение этой технологии сдерживается отсутствием эффективных технологических решений по вопросам управления структурным состоянием массива, обеспечивающих равномерный доступ активного растворителя к рудным минералам при подготовке залежей вкрапленных руд сложного вещественного состава к отработке физико-химической геотехнологией.

В этой связи, изыскание новых технологических решений, позволяющих повысить полноту и комплексность освоения месторождений, представленных многокомпонентными вкрапленными рудами сложного вещественного состава и непостоянного качества, требует разработки нового научно-методического и технологического подхода к процессу подготовки массива вкрапленных руд к выщелачиванию, что является актуальной научно-практической задачей, требующей решения.

В связи с этим целью диссертационной работы является разработка технологических схем подготовки массива вкрапленных медноколчеданных руд к подземному выщелачиванию, обеспечивающих повышение полноты и комплексности освоения месторождений.

Идея работы — повышение полноты и комплексности освоения месторождений медноколчеданных руд вовлечением вкрапленных руд в промышленное освоение методом подземного выщелачивания с применением специальных методов взрывной подготовки рудного массива для создания системы площадного орошения и раскрытия трещин, формированием гидрозатвора в скважинном заряде.

Задачи исследований: обобщение опыта разработки рудных месторождений сочетанием физико-технических и физико-химических способов добычиисследование структурно-текстурных особенностей вкрапленных рудразработка, конструирование и систематизация технологических схем подготовки рудного массива к эксплуатации комбинированной физико-технической и физико-химической геотехнологиейопределение зависимостей влияния основных факторов на показатели физико-химических процессов извлечения ценных компонентов из вкрапленных медноколчеданных рудизыскание новых технологий взрывания, позволяющих создать наведенную трещиноватость и оросительные перфорационные каналы в массиве вкрапленных медноколчеданных рудразработка методики расчета параметров взрывной подготовки массива вкрапленных медноколчеданных руд к подземному выщелачиваниюразработка технологических рекомендаций и экономическая оценка эффективности освоения залежей вкрапленных медноколчеданных руд Октябрьского месторождения физико-химической геотехнологией.

Методы" исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий минералографический анализ руд исследуемых месторождений, физическое моделирование, лабораторный и опытно-промышленный эксперименты, планирование и обработку результатов современными методами математической статистики, технико-экономические расчеты.

Объектом исследований выбраны вкрапленные руды Октябрьского и Александринского медноколчеданных месторождений как типичные для месторождений Уральского типа медноколчеданной формации.

Положения, выносимые на защиту:

• Специфика геологического строения и минерального состава вкрапленных медноколчеданных руд с локализацией рудных минералов по естественным трещинам определяет вовлечение их в эксплуатацию методом подземного выщелачивания со специальной гидровзрывной подготовкой массива.

• В горнотехнических системах комбинированной физико-технической и физико-химической геотехнологии схемы взрывной подготовки массива вкрапленных руд зависят от их структурно-текстурных особенностей, вещественного состава и пространственного расположения ранее пройденных открытых и подземных выработок в едином технологическом пространстве.

• Технология подготовки массива вкрапленных медноколчеданных руд' к подземному выщелачиванию включает три стадии: раскрытие трещин в выщелачиваемом массиве путем взрывания скважинных зарядов с водяным кольцевым зазором и гидрозатвором в устьях скважинформирование площадной оросительной системы в виде наведения перфорационных каналов в кровле выщелачиваемой камеры взрыванием систем кумулятивных зарядовсоздание системы сбора продуктивного раствора веерами скважин в основании камеры.

• Технология взрывного разупрочнения массива вкрапленных медноколчеданных руд скважинными зарядами с гидрозатвором устья скважин и водяным кольцевым зазором обеспечивает повышение трещиноватости рудного массива за счет формирования гидроудара в скважине и раскрытия трещин при динамическом инерционном воздействии воды на рудный массив, что обеспечивает прохождение взрывной волны без погашения гидростатического давления и, как следствие, исключает развитие канального эффекта.

Научная новизна работы:

• Систематизация способов подготовки рудного массива при комбинированной физико-технической и физико-химической геотехнологии освоения месторождений медноколчеданных руд по признаку образования рабочего пространства, подготовки массива к извлечению полезного компонента и соблюдению требований к сохранности гидроизоляционного барьера.

• Способ подготовки массива вкрапленных медноколчеданных руд к подземному выщелачиванию с помощью взрывов в условиях минимального рассредоточенного компенсационного пространства, направленного на раскрытие в массиве естественных трещин за счет гидростатического давления воды, создаваемого взрыванием скважинных зарядов с гидрозатвором устья скважин и формированием кольцевого водяного зазора по всей длине скважины.

• Методика расчета параметров взрывной подготовки массива вкрапленных медноколчеданных руд к подземному выщелачиванию, предусматривающая учет коэффициента раскрытия естественных трещин при взрывогидравлическом способе разрушения.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается надежностью и представительностью исходных данных, сопоставимостью результатов лабораторных и опытно-промышленных исследований, обработанных методами математической статистики и их сходимостью с результатами теоретических изысканий, а также использованием современного оборудования и апробированных методик.

Практическая значимость работы состоит в разработке технологии и методики расчета параметров подготовки массива вкрапленных руд к подземному выщелачиванию, обеспечивающих повышение полноты и комплексности освоения рудных месторождений невысокой ценности и сложного минерального состава.

Реализация работы. Результаты исследований внедрены в проект опытно-промышленных испытаний технологии подземного выщелачивания вкрапленных медноколчеданных руд Октябрьского месторождения.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2004; 2005; 2006; 2007), ежегодных научно-практических конференциях (Магнитогорск, 2003; 2004; 2005; 2006; 2007), Молодежной научно-практической конференции (Екатеринбург, 2005), Уральской горнопромышленной декаде (Екатеринбург, 2004), III Международной научно-практической конференции «Комбинированная геотехнология: Масштабы и перспективы применения» (Магнитогорск — Учалы, 2005), IV Международной научно-практической конференции «Комбинированная геотехнология: Развитие физико-химических способов добычи» (Магнитогорск — Сибай, 2007).

Основные результаты работы опубликованы в 6 печатных работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 107 наименований, приложения и содержит 170 страниц, 24 таблицы, 73 рисунка.

Выводы по главе:

1. Доказано, что подготовка массива осуществляется по двум основным направлениям, определяющим фактором в которых является наличие серы в рудах и мощности рудной залежи. При не высоком содержании серы S<30% и высокой мощности рудной залежи > 25 м оптимальной схемой подготовки массива к подземному выщелачиванию является схема с разрушением массива, магазинированием руды и формированием открытого оросительного пространства, в противном случае подготовку массива необходимо проводить по схеме с сотрясанием руды на раскрытие трещин и формированием специальной оросительной системы с использованием перфорационных систем. Данные схемы подготовки универсальны и целесообразны к применению в рамках одного месторождения с отработкой различных рудных залежей.

2. Подготовка массива камеры № 1 р.т. 11 Октябрьского месторождения производилась по схеме с сотрясанием массива и формированием специальной оросительной системы с разделением отработки камеры на три процесса с обоснованием технологических параметров: формирование оросительной системы в потолочине камеры, взрывание на сотрясанне основных запасов камеры и подача и сбор продуктивных растворов. Доказано, что технологические параметры подготовки камеры обоснованы и приемлемы для реализации физико-химической геотехнологии при отработке бедных вкрапленных медноколчеданных руд.

3. Экономический эффект от реализации технологии подземного выщелачивания на камере № 1 составит 294,77 тыс. руб. при сроке окупаемости капитальных вложений 7 месяцев, что доказывает рациональность разработанных технологических решений по подготовке и отработке камеры физико-химической геотехнологией.

Заключение

.

В диссертации дано решение актуальной научно-технической задачиразработка технологии подготовки массива и комплексного освоения медноколчеданных месторождений на примере бедных вкрапленных руд, обеспечивающая полноту и комплексность освоения недр. Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Результаты проведенного анализа опыта разработки рудных месторождений сочетанием физико-технической и физико-химической технологии показали, что перспективы развития комбинированной геотехнологии непосредственно зависят от совершенствования технологических процессов подготовки массива к выщелачиванию ценных компонентов, позволяющих отрабатывать участки вкрапленных руд в сложных геомеханических и горно-геологических условиях.

2. Проанализированы вещественный состав и структурные особенности вкрапленных медноколчеданных руд на примере Октябрьского месторождения. Доказано, что минерализация ориентируется строго по системам трещин, то есть рудные минералы распределяются по полостям естественных трещин, что определяет необходимость разработки технологических решений по подготовке массива, направленной на их раскрытие и формирование площадного орошения с целью обеспечения равномерного доступа растворителя к рудным минералам.

3. Разработаны и систематизированы технологические схемы подготовки рудного массива в горнотехнических системах физико-технической и физико-химической геотехнологии по способу образования рабочего пространства, способу подготовки массива и требованиям к сохранению гидроизоляционного барьера. Выявлено, что реализация технологии выщелачивания при комплексном решении вопроса разработки месторождений и доработки запасов вкрапленных руд и локализованных рудных залежей позволяет повысить полноту освоения недр и расширить минерально-сырьевую базу горнодобывающих предприятий. Так, для Бурибаевского ГОКа внедрение технологии позволит ввести в разработку 20 рудных тел, отнесенных к забалансовым и составляющих 1/3 от общего объема запасов месторождения.

4. Исследованы зависимости процессов выщелачивания вкрапленных руд Октябрьского месторождения как типичного представителя месторождений Уральского типа в режимах выстаивания и перколяции различных фракций. Было доказано, что эффективным режимом выщелачивания является перколя-ционный в связи с постоянным контактом кислорода с рудной массой, необходимым для интенсивного окисления. Установлены зависимости выщелачивания и извлечения металла из крупнокусковой фракции. За 180 суток в раствор перешло 47% меди, 7,85% цинка. Был определен характер движения раствора в кусках руды по трещинам, заполненным рудными минералами, что предопределило формирование технологии взрывной подготовки массива, направленной на раскрытие естественных трещин.

5. Предложена технология подготовки камеры к выщелачиванию, включающая 3 стадии: раскрытие трещин в выщелачиваемом массиве взрыванием скважинных зарядов с водяным кольцевым зазором и гидрозатвором в устьях скважин в условиях зажимаформирование площадной оросительной системы наведением перфорационных каналов в кровле выщелачиваемой камеры путем взрывания системы кумулятивных зарядов, обеспечивающих равномерное орошение массивасоздание системы сбора продуктивного раствора веерами скважин в основании камеры.

6. Проведены опытно-промышленные испытания взрывогидравлйческого способа, направленные на интенсивное разупрочнение рудных минералов и раскрытие естественных трещин. Установлены зависимости взрывных показателей и разработаны методы перевода полученных результатов с рудных элементов на массив с введением необходимых поправочных коэффициентов, учитывающих влияние условий гидровзрыва и наличие свободных плоскостей обнажения.

7. Результатами опытно-промышленных испытаний с изысканием оптимальной конструкции заряда является вывод, что при использовании конструкции заряда с водяным кольцевым зазором и гидрозатвором в устье скважин степень разупрочнения массива увеличивается на 20−25%, а степень раскрытия трещин на 30% по отношению к стандартным конструкциям зарядов.

8. Разработана методика определения параметров взрывной подготовки массива к подземному выщелачиванию вкрапленных медноколчеданных руд с учетом коэффициента влияния гидроразрыва Кгропределяющего степень раскрытия трещин при гидровзрыве и позволяющего внести поправку на расчет удельного расхода ВВ при применении взрывогидравлического способа.

9. Разработан алгоритм выбора схемы подготовки массива с обоснованием ее параметров на основе учета основных горно-геологических и горнотехнических условий рассматриваемого участка рудной залежи, позволяющий произвести выбор рационального способа подготовки массива для конкретного участка отрабатываемого месторождения.

10. Подготовлен проект на опытно-промышленную апробацию технологии подготовки массива для камеры № 1 р. т. 11 Октябрьского месторождения (забалансовые запасы) методом подземного выщелачивания. Реализация технологии взрывной подготовки массива к разработке камеры № 1 физико-химической геотехнологией позволяет получить комбинату экономический эффект в размере 294,77 тыс. руб. в ценах 2009 года.