Проблемы подземной добычи полезных ископаемых в криолитозоне

Е.Г. Фурсов — д.т.н., ФГУП «Гипроцветмет»
Ю.В. Михайлов — профессор, д.т.н., зав. кафедрой «Горная экология и безопасность жизнедеятельности», декан горно-нефтяного факультета МГОУ
В.Ф. Гусев — к.т.н., проф. МГОУ

Проблемы подземной разработки месторождений полезных ископаемых в условиях криолитозоны, в первую очередь, связаны с необходимостью обеспечения экологической безопасности с одновременной высокопроизводительной добычей ценных руд, разубоживанием и минимальными потерями в недрах.

Криолитозона охватывает более половины территории России и именно с этой частью связано развитие минерально-сырьевого комплекса. Месторождения криолитозоны расположены главным образом в районах с неразвитой инфраструктурой (отсутствие транспортных коммуникаций, труднодоступность регионов, отсутствие энергетического обеспечения, отдаленность от промышленно развитых регионов, дефицит рабочей силы), с установившимся экологическим балансом, весьма чувствительным к техногенному вмешательству. Месторождения характеризуются сравнительно небольшими запасами, но с комплексным составом руд.

Процесс техногенного разрушения литосферы при добыче и переработке полезных ископаемых порождает разветвленную систему разнообразных воздействий на экосистему региона горнодобывающего предприятия. Экологически значимые техногенные факторы связаны с выбросами в природную среду значительных объемов пыли и газов различной степени токсичности, размещением на территории производственного комплекса отвалов пустых пород и хвостохранилищ [1,2]. Последние объекты не только обусловливают необходимость отторжения части поверхности природно-территориального комплекса, но и оказывают наиболее неблагоприятное воздействие на экосистему.

В России, начиная с 30-х гг. прошлого столетия, использование процесса амальгамации на шлихообогатительных фабриках привело к тому, что приисковые и рудничные отвалы хвостов стали сосредоточием сложного комплекса золото-ртутьсодержащих продуктов, включающих эфеля крупностью от взвесей до 60 мм, медные и железные неамальгированные скрапы, жидкую ртуть, твердую и дисперсную амальгаму и золото [3]. Повторная разработка отвалов практически не изменила их вещественного состава.

Не менее токсичны хвостохранилища, содержащие цианиды, попадание которых в экосистему приводит последнюю в катастрофическое состояние.

Серьезного внимания, с точки зрения экологии, требуют такие постоянные составляющие всех месторождений драгоценных металлов, как сульфиды. Будучи основными промышленными минералами многих тяжелых и драгоценных металлов, они при контакте с кислородом воздуха и водой окисляются. Процесс окисления сульфидов в обрушениях нередко приводил к подземным пожарам, о чем свидетельствует практика отработки некоторых колчеданных месторождений Урала в 1930–1950 гг. прошлого века.

Сульфиды, складированные в отвалы и хвостохранилища совместно с другими породами, в процессе окисления превращаются из нерастворимых и нейтральных в растворимые и токсичные сульфаты, проникновение которых в почву и водоемы становится неизбежным и сопровождается тяжелыми последствиями.

Таким образом, все отходы при добыче и переработке руд драгоценных металлов представляют серьезную, если не катастрофическую, экологическую опасность для экосистемы региона.

Снижение экологической опасности видится, в первую очередь, в уменьшении объемов складирования, на что и должны быть направлены требования к технологии добычных работ. Генеральная идея этого направления — минимизация объемов извлечения горной массы из недр при максимальном извлечении полезных компонентов. Реализация этой идеи просматривается по нескольким направлениям.

На стадии проектирования способа разработки необходимо учитывать особенности залегания рудных тел драгоценных металлов и экологические последствия применения этого способа. Некоторые специалисты считают, что преимущества открытого способа не всегда оцениваются объективно, особенно по экологическим последствиям [4]. Отчуждение земель на каждую тонну годовой добычи при подземном способе в 4–4,5 раза меньше, чем при открытом. Открытые работы оказывают неблагоприятное воздействие на гидроэкологию региона. Нарушение земной поверхности и ландшафта при подземных работах не имеет столь значительных масштабов, как при открытых работах. В случае использования систем с закладкой выработанного пространства такие нарушения незначительны, а если для закладки использовать отходы обогатительного производства, то экологические последствия горного производства минимальны.

Рис. 1. Вариант системы разработки с планомерным оставлением целиков: 1 — транспортная выработка; 2 — подсечная выработка; 3 — очистное пространство; 4 — целики; 5 — крепь.

Есть еще одно очень важное обстоятельство, которое следует учитывать при выборе способа разработки месторождения в криолитозоне.

Как показано в работе [1], максимальное количество запасов ценных металлов в криолитозоне сосредоточено в крутопадающих маломощных телах. Отработка их открытым способом, даже при незначительной мощности наносов над рудными телами, сопряжена с необходимостью вести выемку первых уступов с коэффициентами вскрыши, выражающимися двухзначными цифрами, что делает открытые работы в таких условиях малоконкурентными перед подземными. Примером может служить Асачинское месторождение драгоценных металлов на Камчатке.

Данное месторождение представлено крутопадающей (до 90°) рудной зоной из нескольких жил. Мощность рудной зоны под наносами 4 м, самих наносов -10–15 м. Технико-экономическое сравнение способов отработки показало преимущество подземного, даже при отработке самой верхней части рудной зоны. Налицо совпадение более низкого техногенного воздействия на экосистему региона и экономической целесообразности способа.

Минимизация объемов извлечения горной массы из недр при подземной добыче драгоценных металлов сводится к уменьшению выемочной мощности пород, прилегающих к рудной зоне (жилам). Правилами техники безопасности предусматриваются ограничения по минимальной ширине (высоте) очистного пространства, которое во многих случаях превосходит мощность рудной зоны (жилы). Вынужденная присечка пустых пород приводит к высокому уровню разубоживания руды. Уровень этого показателя изменяется в пределах от 30–35% до 40–45%, достигая при выемке тонких жил 70–75% [1].

Для снижения объемов извлечения пород из очистного пространства предложен и апробирован на практике ряд технологических решений и технических разработок, основной смысл которых сводится к тому, что в местах работы людей и оборудования выдерживаются регламентированные параметры очистного забоя, а в промежутках — извлекаются руды с минимально возможными присечками пустых пород. Это могут быть планомерно оставляемые в очистном пространстве целики, из которых рудная часть отрабатывается буровзрывным способом с выбросом руды взрывом (рис.1).

Рис. 2. Поддержание выработанного пространства льдопородной закладкой при разработке месторождения механизированным комплексом с монорельсовым перемещением в неустойчивом (а) и устойчивом (б) горном массиве: 1 — первичные камеры (I); 2 — выработанное пространство вторичной камеры (II); 3 — льдопородная закладка из продуктов хвостохранилищ обогатительной фабрики; 4 — очистная машина КОВ-25; 5 — проходческая машина ПВ-1000-2; 6 — взрывные скважины; 7 — отбитая рудная масса.

Институтами «Гипроцветмет» («ВНИПИгорцветмет»), ИПКОН РАН и «НИПИгормаш» разработаны технология и оборудование с использованием подъемников для доставки людей и оборудования в очистные забои (рис. 2). Из подъёмников производится обуривание основного объема рудной массы с минимальной присечкой пород.

Пристального внимания заслуживает опыт разработки крепких руд маломощных залежей выбуриванием [6]. Несмотря на то, что для разрушения руднопородного массива применяется не самый экономичный механический способ, с учетом необходимости тонкого помола руды на обогатительной фабрике (также механический способ разрушения) и возможности снижения разубоживания технология имеет определенные преимущества перед традиционными. На рис. 3 представлена технологическая схема опытно-промышленного участка Ловозёрского ГОКа, на котором были выполнены испытания добычного комбайна КД800Э и новой технологии. Полученные результаты показали высокую экономическую эффективность, которая более подробно изложена в работе [6].

При этом наряду с экономической целесообразностью обеспечивается экологическая безопасность региона [7].

Выше отмечалось, что максимальный экологический урон для региона, где расположено горное предприятие, наносят отвалы и продукты переработки руды.

При подземном способе добычи появляется возможность возвратить в выработанное пространство большую часть пустых пород и хвостов, где для их нейтрализации значительно больше возможности, чем на поверхности. Возврат части ненужной породы возможен на шахтном уровне с добычных горизонтов путем сепарации разрушенной руды. Наиболее предпочтительны три варианта сепарации в подземных условиях: в очистном забое; у магистральной откаточной выработки; в околоствольном дворе. Сепарация руды позволяет выполнять отсечение его части с нерентабельным содержанием полезного компонента. Основная часть анализаторов и сепараторов основывается на рентгенорадиометрическом методе (РРН) определения содержания химических элементов в руде и породах.

Количественная оценка экономической эффективности технологических схем сепарации, выполненная для условий рудников Ловозерского ГОКа, показала:

• при одинаковом объеме годовой добычи полезного ископаемого объём рудной массы, выдаваемой на поверхность, сокращается от 21 до 43%;
• производительность забойного рабочего возрастает на 60 и 62%;
• удельный вес горно-подготовительных работ (м³/1000 т) снижается на 22,7 и 27,1%;
• общая экономическая эффективность возрастает на 46 и 84% [7].

Возврат хвостов обогащения возможен в виде закладочных смесей. По данным института «Унипромедь», в твердеющих закладочных смесях с высоким содержанием сульфидов процесс их окисления не происходит, что свидетельствует о безопасной, с точки зрения экологии, утилизации хвостов в выработанном пространстве.

Использование традиционных связующих (шлаков, цемента и др.) для условий криолитозоны проблематично из-за труднодоступности регионов, сложности составления цементных смесей при отрицательных температурах. Целесообразно для этих целей использовать криоресурс рассматриваемых регионов, под которым понимается запас, источник отрицательных температур в холодных массах, непосредственно используемых при формировании (замораживании) несущих конструкций (закладки) в выработанном пространстве для обеспечения устойчивости обнажений (кровли, боковых стен, почвы и т.д.), образуемых в результате извлечения полезных ископаемых из недр.

Для выполнения этих задач предпочтительными являются ледяные или льдопородные несущие конструкции, полученные при закладке выработанного пространства льдом или льдопородным массивом. Наиболее простыми хладагентами являются те, которые непосредственно связаны с охлаждением вяжущего вещества или строительного материала (воды) без применения криогенных установок и имеются в значительном количестве в природных условиях экосистемы криолитозоны: холодный воздух и охлажденные естественным образом куски пустых (не содержащих полезных ископаемых) пород, образующихся в результате добычных работ.

Однако, как показали опытно-промышленные исследования, процесс формирования несущих конструкций этими хладагентами достаточно продолжителен и при высокой степени механизации добычных работ отстает по скорости от образования выработанного пространства. Поэтому, чтобы в полной мере использовать криоресурс, необходимо решить задачу ускорения формирования закладочных несущих конструкций. Известно несколько вариантов решения этой задачи.

В качестве хладагента в условиях криолитозоны были изучены охлажденный воздух, замороженные куски пустой породы, а также керосин.

Рис. 3. Технологическая схема опытно-промышленного участка: 1 — добычной комбайн КД800Э; 2 — пионерные пилот-скважины; 3 — расширенные скважины, заполненные закладочной смесью; 4 — пульпосборник; 5 — грузо-людской квершлаг; 6 — восстающий; 7 — буровые штреки; 8 — устройство для обезвоживания и разделения бурового шлама; 9 — вагонетки; 10 — расширитель; 11 — вентиляционный квершлаг; 12 — рудная (балансовая) залежь; 13 — расширяемая скважина без крепления.

Искусственный массив из льдопородной закладки, с одной стороны, является хладагентом, с другой — несущей конструкцией. При его создании должно быть соблюдено соответствие между количеством дробленой породы и воды, используемой как вяжущее, и их температурой. Отклонение от их предельного соотношения может привести к тому, что льдопородная закладка не наберет требуемой прочности за необходимое для технологического процесса время. Формирование искусственного закладочного массива с применением в качестве хладагента пустых охлажденных пород или хвостов обогащения более предпочтительно исходя из следующих соображений:

• теплообмен между водой и охлажденными породами проходит гораздо быстрее, чем между водой и охлажденным воздухом;
• пустые породы являются не только хладагентом, но и конструктивным материалом, составляющим несущий скелет закладочного массива; 
• размещение пустых пород в отработанном очистном пространстве значительно сокращает площади поверхностных отвалов, обеспечивая экологическую устойчивость экосистемы промышленной зоны;
• хвосты обогащения, возвращенные в выработанное подземное пространство, являются не только структурной основой льдопородной закладки, но и складируемым полезным ископаемым, не размываемым водами и ветрами, готовым к повторному извлечению в будущем;
• камеры, заполненные льдопородной закладкой, являются прекрасным криоресурсом, который может быть использован для стабилизации температурного режима.

Опытно-промышленные испытания льдопородной закладки проводились на Дукатском месторождении. При разработке данного месторождения сплошной системой горизонтальными слоями с применением самоходного оборудования минимальные потери могут составлять 2%, разубоживание — 9%. Отработка рудных зон мощностью более 5–7 м камерной системой с льдопородной закладкой показывает, что при сравнении систем с двухстадийной выемкой и камерной с льдопородной закладкой последняя имеет преимущество: потери снижаются с 14,5 до 5%, разубоживание — с 21,9 до 11%.

Аналогичные результаты получены применительно к опытным участкам Калгутииского месторождения, россыпным месторождениям Полярнинского комбината и др.

Удовлетворительные технико-экономические показатели отработки опытных участков с использованием льдопородной закладки, а также возможность размещения в очистном пространстве отходов производства позволяют отнести данную технологию к перспективной для применения в подземных условиях криолитозоны.

Из разведанных на территории страны запасов благородных металлов 54% приходятся на рудные, из них 58% — на крупные и 42% — на мелкие с малой мощностью рудных зон и жил [1]. Учитывая тот факт, что значительная часть их залегает с большими углами падения, наиболее вероятным способом их отработки будет подземный. Для эффективного и с приемлемой степенью экологической безопасности подземного способа отработки были разработаны перспективные технологические и технические решения. Большинство из них прошло основательную опытно-промышленную проверку на горнодобывающих предприятиях. Однако, начиная с середины 90-х гг. прошлого столетия, научно-исследовательские работы по этим направлениям были прекращены. Кадры, обладавшие опытом создания и опытно-промышленного освоения новых технологий, в большей части утрачены.

Вместе с тем, необходимость возобновления работ по испытанным разработкам и созданию новых эффективных и экологически безопасных технологий отработки запасов драгоценных металлов подземным способом очевидна. Просматривается необходимость разработки федеральной или отраслевой программы, в которой бы предусматривалось проведение комплекса научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по подземной добыче драгоценных металлов в криолитозоне. В выполнении программы должны быть задействованы ведущие подразделения РАН, а также сохранившиеся подразделения в отраслевых научно-исследовательских, проектных и учебных институтах.

1. Емельянов В.И., Михайлов Ю.В., Носков В.Ф. Основы разработки месторождений полезных ископаемых в экосистемах криолнтозоны / Под ред. проф. В.И. Емельянова. — М.: MГОУ, 2005 г.
2. Трубецкой К.Н., Галченко Ю.П., Бурцев Л.И. Экологические проблемы освоения недр при устойчивости развития природы и общества — М.: Научтехлитиздат, 2003 г. — 262 с.
3. Емельянов В.И., Носков В.Ф., Гудовичев В.В. К созданию экологически чистой и безопасной технологии переработки золотортутьсодержащих отходов приисковых ШОФ // Маркшейдерский вестник, 2004 г., № 4.
4. Болотов Б.В. Совершенствование методов проектирования рудников // Горное дело: обзор информ. Вып. 7. — М.: ЦНИИцветмет экономики и информации, 1988 г.
5. Новая технология разработки крутопадающих жильных месторождений. Назарчик А.Ф., Кахаров А.И., Дружков В.Г. и др. — М.: Цветметинформация, 1983 г.
6. Михайлов Ю.В. Экономическая целесообразность добычи крепких руд маломощных залежей выбуриванием /7 Экономика цветной металлургии. II серия М.: ЦНИИцветмет экономики и информации, 1992 г.
7. Михайлов Ю.В. Подземная разработка рудных месторождений в сложных горногеологических условиях. М.: Издательский центр «Академия», 2008 г. — 320 с.

Опубликовано в журнале «Золото и технологии», № 1 (15)/февраль 2012 г.