Повышение эффективности отработки мощных пологопадающих нерудных залежей камерно-столбовыми системами

Актуальность работы. Высокие количественные потери полезного ископаемого при добыче приводят к раннему истощению месторождения и сокращению сроков существования горного предприятия. Для покрытия потребностей в минеральном сырье требуются значительные дополнительные затраты на разведку и ввод в эксплуатацию новых месторождений взамен выбывших. В большей степени это касается предприятий, которые ведут добычу нерудных полезных ископаемых подземным способом камерно-столбовыми системами разработки, с характерно низкими показателями извлечения. Практика показывает, что данные системы обеспечивают высокую производительность и интенсивность выемки при сравнительно низкой себестоимости добычи, однако потери весьма высоки — в недрах остается до 50% запасов полезных ископаемых.

Это в полной мере относится к Горозубовскому и Каларгонскому нерудным месторождениям, расположенным в Норильском промышленном районе. Данные месторождения обеспечивают жизнедеятельность ЗФ ОАО «Горно-металлургическая компания «Норильский никель», так как покрывают основные потребности предприятия в ангидрите и известняке для изготовления вяжущих компонентов твердеющей закладки, флюсовых добавок пирометаллургического производства и адсорбционного нейтрализатора вредных промышленных газов.

Повышение эффективности отработки нерудных месторождений может осуществляться путем снижения потерь и установления научно-обоснованных нормативов. Однако известные способы и методики, как правило, разработаны для рудных месторождений и адаптированы к конкретным условиям и технологиям. В этой связи обоснование способов, средств и методик для повышения полноты и качества отработки нерудных месторождений является актуальной научной и практической задачей.

Объект исследования — технология выемки мощных пологопадающих залежей нерудного сырья.

Предмет исследования — способы снижения и нормирования потерь и разубоживания нерудных полезных ископаемых.

Цель работы состоит в повышении эффективности отработки мощных пологопадающих нерудных месторождений камерно-столбовыми системами.

Идея работы заключается в том, что повышение полноты и качества выемки запасов осуществляется на основе учета закономерностей изменения потерь и разубоживания нерудного сырья и разработанных инженерных способов, обеспечивающих достижение их оптимального уровня.

Задачи исследования:

1. Выявить закономерности формирования потерь и разубоживания полезного ископаемого по местам и источникам образования и установить основные факторы, влияющие на их величину.

2. Усовершенствовать классификации эксплуатационных потерь и разубоживания и разработать методики достоверного их определения применительно к камерно-столбовым системам разработки.

3. Обосновать комплекс инженерно-технических решений по повышению полноты и качества извлечения запасов, провести опытно-промышленную проверку и оценить их эффективность.

4. Разработать частную методику нормирования и установить нормативы эксплуатационных потерь и разубоживания нерудных полезных ископаемых для камерно-столбовой системы разработки.

Методы исследований: в работе использован комплекс методов исследований, включающий анализ литературных источников и обобщение данных практики при постановке задачи, изучение нормативно-методических документов, производственные эксперименты, компьютерное и математическое моделирование при обосновании параметров конструктивных элементов и буровзрывных работ, статистический анализ при обработке результатов экспериментальных исследований и технико-экономический анализ при оценке эффективности результатов работы.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Оценка условий, мест и источников формирования потерь и ра-зубоживания при отработке нерудного сырья камерно-столбовыми системами осуществляется по разработанным классификациям.

2. Снижение потерь и разубоживания при отработке месторождений нерудных полезных ископаемых камерно-столбовой системой достигается рационализацией технологических процессов очистной выемки и применением рекомендованных технических средств с установленными характеристиками.

3. При отработке месторождений нерудных полезных ископаемых нормативы потерь и разубоживания устанавливаются по методике, учитывающей показатель оптимального содержания компонентов в товарном сырье.

Достоверность научных результатов подтверждается представительностью и надежностью исходных данных, значительным объемом промышленных экспериментов по определению и сокращению потерь полезных ископаемых, моделированием напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов системы разработки методом конечных элементов, сходимостью результатов теоретических расчетов с практическими данными, внедрением рекомендаций в практику.

Личный вклад автора состоит в: исследовании условий образования потерь и разубоживания с разработкой их классификации для различных вариантов камерно-столбовых систем разработки, применяемых на рудниках «Ангидрит» и «Известняков" — разработке методических рекомендаций по определению потерь и разубоживания при отработке мощных пологопадающих залежей нерудного сырья камерно-столбовыми системами разработкипроведении моделирования напряженно-деформируемого состояния конструктивных элементов системы разработки методом конечных элементов с целью оптимизации их параметровпроведении промышленных исследований и экспериментов, направленных на снижение потерь и разубоживанияразработке нормативов потерь и разубоживания для условий рудников «Ангидрит» и «Известняков».

Научная новизна работы.

1. Усовершенствованы классификации количественных и качественных потерь нерудного сырья, отличающиеся от существующих тем, что в них включены ранее неучтенные места и источники образования потерь и разубоживания.

2. Уточнена и адаптирована для условий отработки залежей нерудного сырья методика расчета мощности предохранительной толщи, учитывающая глубину залегания, ширину камеры, физико-механические свойства полезного ископаемого и боковое давление.

3. Предложен показатель, позволяющий формировать оптимальное содержание компонентов в товарном сырье и определять технологический контур с уровнем потерь и разубоживания, обеспечивающим максимум прибыли с 1 т погашенных балансовых запасов.

4. Усовершенствован методический подход к нормированию показателей извлечения, основанный на использовании показателя оптимального содержания компонентов в товарном сырье.

Практическая ценность работы.

1. Разработана методика количественной оценки потерь и разубоживания при камерно-столбовых системах, учитывающая совокупное влияние основных факторов на показатели извлечения.

2. Подготовлены и внедрены Руководства по нормированию и планированию показателей извлечения на рудниках «Ангидрит» и «Известняков».

3. Испытаны и внедрены новые паспорта буровзрывных работ, позволяющие снизить потери полезного ископаемого в массиве.

Реализация результатов работы. На основе выполненных исследований разработаны и внедрены: «Руководство для нормирования и планирования потерь и разубоживания при системах разработки с открытым очистным пространством для условий рудника „Ангидрит“ (часть XXX)» и «Руководство для нормирования и планирования потерь и разубоживания при системах разработки с открытым очистным пространством для условий рудника «Известняков» (часть XXXII).

Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения результатов исследования в условиях отработки запасов рудников «Ангидрит» и «Известняков» составит 10 млн руб.

Теоретические и практические результаты исследований использовались в учебном процессе в Институте горного дела, геологии и геотехнологии Сибирского федерального универститета при подготовке специалистов — горных инженеров.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Московской конференции «Неделя горняка» (2007, 2008 гг.), на трех международных научно-технических конференциях в г. Красноярске (2007, 2008 и 2009 гг.), на трех Всероссийских конференциях в г. Красноярске (2007 и 2008 гг.), двух межрегиональных научно-технических конференциях (2007 и 2008 гг.) и на научно-технических совещаниях ЗФ ОАО «Горно-металлургическая компания «Норильский никель» (2007 и 2009 гг.).

Исследования проведены при поддержке Краевого государственного автономного учреждения «Красноярский краевой фонд поддержки научной и научно-технической деятельности» (КГАУ «ККФПН и НТД») для молодых ученых в 2009 г. и пяти грантов, выполненных в рамках «Программы развития СФУ на 2007;2010 годы по научно-методическому обеспечению образовательного процесса по приоритетным областям развития СФУ» (20 072 009 гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 14 печатных работ, из них 5 работ в изданиях, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, библиографического списка из 84 наименований, изложена на 165 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков, 27 таблиц и 4 приложения.

выводы.

1. Предложен показатель оптимального содержания компонентов в товарном сырье, который позволяет определять нормативный уровень потерь и разубоживания на геологических контактах при отработке запасов нерудного сырья при заданном содержании регламентируемого компонента в товарной продукции и на его основе разработан новый методический подход к определению нормативных величин количественных и качественных потерь.

2. Разработаны и внедрены для условий рудников «Ангидрит» и «Известняков» ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» нормативы потерь и разубоживания полезных ископаемых.

3. Комплекс программ для ПК, разработанный для различных вариантов камерно-столбовой системы разработки, позволяет решать задачи по установлению нормативных показателей количественных и качественных потерь при отработке запасов нерудного сырья с учетом изменения горногеологических, технических и технологических условий отработки.

4. Ожидаемый расчетный экономический эффект от внедрения результатов исследований составляет 10 900 тыс. руб/год и 1254 тыс. руб/год для рудников «Ангидрит» и «Известняков» соответственно. 5. Разработаны нормативы потерь и разубоживания нерудного сырья, которые полностью соответствуют требованиям нормативных документов и могут служить основой для планирования уровня извлечения полезного ископаемого при добыче и критерием оценки качества горных работ на рудниках «Ангидрит» и «Известняков».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа представляет законченное исследование, направленное на решение актуальной научно-практической задачи повышения эффективности извлечения запасов нерудных полезных ископаемых при камерно-столбовой системе разработки Горозубовского и Каларгонского месторождений Норильского промышленного района.

Теоретические и практические исследования позволили изучить места и источники образования потерь и разубоживания полезного ископаемого, а также факторы, влияющие на их величины и причины возникновения.

Обоснован и прошел проверку в лабораторных и промышленных условиях комплекс решений, направленных на обеспечение оптимального уровня потерь и разубоживания полезного ископаемого при его добыче.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Усовершенствована классификация потерь и разубоживания полезного ископаемого для камерно-столбовых систем разработки, в которой осуществлен принцип поэлементного и группового нормирования с выявлением и оценкой всех видов, причин и особенностей формирования количественных и качественных потерь, а также факторов, влияющих на уровень их величины: глубины ведения горных работ, размера и формы целиков, технологических процессов отбойки.

2. Уточнена и адаптирована к условиям рудника «Ангидрит» методика определения устойчивых размеров междукамерных целиков (МКЦ), применение которой обеспечивает снижение потерь полезного ископаемого.

3. Моделирование напряженно-деформируемого состояния целиков, проведенное методом конечных элементов показало, что фактические геометрические размеры междукамерных целиков могут быть уменьшены на 7−10%. Натурные наблюдения за несущей способностью целиков уменьшенных размеров в панелях № 13, 14и15 рудника «Ангидрит» подтверждают правомерность сделанных выводов.

4. На основе теории определения устойчивых размеров обнажений кровли выведена зависимость для расчета мощности предохранительной толщи полезного ископаемого, оставляемой в кровле камер для предотвращения обрушений налегающих пород. Промышленная проверка рекомендаций показала, что при обеспечении требуемой устойчивости защитного слоя потери снижаются на 0,54 м³ на 1 м² площади камеры в условиях панели 13.

5. Разработана и внедрена на руднике «Ангидрит» технология отбойки с использованием элементов контурного взрывания, что позволило повысить устойчивость целиков за счет уменьшения законтурного разрушения (с 10 трещин до 2) и снизить потери в краевых частях целиков на 38% (относительных).

6. Предложен показатель оптимального качества товарного сырья и на его основе разработана методика определения нормативного уровня потерь и разубоживания.

7. Разработаны, в установленном порядке утверждены и внедрены научно-обоснованные нормативы потерь и разубоживания полезных ископаемых при отработке залежей нерудного сырья на рудниках «Ангидрит» и «Известняков» ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель».

8. Ожидаемый расчетный годовой экономический эффект от внедрения результатов исследований оценивается в 10 900 тыс. руб/год и 1250 тыс. руб/год для рудников «Ангидрит» и «Известняков» соответственно.

Результаты исследований могут быть использованы на предприятиях, занимающихся подземной добычей нерудного сырья в аналогичных горногеологических условиях.