автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Разработка природоохранной технологии добычи полиметаллических руд в крутопадающих жилах

!' *

Северо-Кавказский государственный технологический университет

На правах рукописи

СЕМЕЛИДИ АЛЕКСАНДР ХРИСТОФОРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ПРИРОДООХРАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ ПОЛИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ РУД В КРУТОПАДАЮЩИХ ЖИЛАХ

(на примере Згидского месторождения)

Специальности: 05.15.02 "Подземная разработка месторождений полезных

ископаемых"

11.00.11 "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов"

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Голик В.И. доктор технических наук, профессор Алборов И.Д..

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владикавказ - 1998

Оглавление

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 4

Глава 1. ЭКО ЛОГО-ТЕХНО ЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЗРАБОТКИ САДОНСКИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 8

1.1. Особенности разработки месторождений 8

1.2. Управление состоянием массива при разработке

скальных жильных месторождений 14

1.3. Цель, задачи и методика исследований 25 Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-

ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА 28

I

2.1 Натурные исследования 29

2.2Лабораторные исследования 45 2.3Исследование напряженно-деформированного

состояния массива на моделях 48

ВЫВОДЫ 55 Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ НА

ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ 56

3.1. Исследование механизма нарушения стабильности экосистемы 56

3.2. Исследование процессов природного выщелачивания потерянных руд 62

3.3. Исследование полноты использования недр 72 ВЫВОДЫ 77 Глава 4. ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЕ ПРОЦЕССЫ

УПРАВЛЕНИЯ ГЕОМЕХАНИКОЙ МАССИВА 78

4.1. Критерии экологической чистоты технологии 78

4.2. Рабочая гипотеза экологически корректного управления состоянием массива 81

4.3. Методика управления состоянием массива

регулированием напряжений 86

ВЫВОДЫ 97

Глава 5. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ 98

5.1. Природоохранные технологии управления массивами 98

5.2. Технологии извлечения ингредиентов из растворов 103

5.3. Эколого-экономическая эффективность исследований 109 ВЫВОДЫ 117 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 118 ЛИТЕРАТУРА 120

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Подземная разработка месторождений технологиями с неуправляемым развитием напряжений разрушает массив и сопровождается естественным выщелачиванием потерянных руд водопотоками по зонам обрушения с нанесением многопланового ущерба окружающей природной среде.

Альтернативными технологиями добычи являются научно-обоснованные технологические варианты, обеспечивающие сохранение массива и земной поверхности над ним за счет регулирования уровня напряжений. Реализация управленческих решений защищает среду от загрязнения продуктами выщелачивания и повышает полноту использования природных ресурсов.

Цель работы. Разработка природо- и ресурсосберегающих технологий с достижением эколого-экономического эффекта.

Научная идея. Ликвидация условий для неуправляемого выщелачивания металлов за счет использования механизма управления массивом.

Методы исследований. Систематизация и анализ литературных источников, теоретические исследования, физическое и математическое моделирование процессов, лабораторные и натурные эксперименты с обработкой данных на ЭВМ.

Защищаемые научные положения.

1. При выемке руд без заполнения пустот напряжения в массиве развиваются до разрушающего значения с потерей до 20% запасов руд по геомеханическим причинам.

2. Жидкие продукты природного выщелачивания потерянных руд с концентрацией загрязняющих веществ на 2-3 порядка выше предельно

допустимых обладают приоритетом в процессе разрушения экосистемы региона добычи.

3. Эффективность использования природосберегающих технологий определяется решением эколого-экономической модели по критерию максимум прибыли при условии сохранности массива и исключения последствий природного выщелачивания.

Научная новизна:

¡.Предложенные условия геомеханической сбалансированности массива отличается тем, что технологии разработки исключают условия для потерь и выщелачивания руд.

2.Природоохранные технологии оптимизируют экологические последствия на основе геотехнологических методов извлечения металлов.

3.Разработанная модель определения эколого-экономической эффективности технологий отличается тем, что оценивает влияние потерянных руд на экосистему.

Научное значение.

1.Сформулированные условия неразрушающего управления массивом по геомеханическим причинам, позволяет раскрыть взаимосвязи состояния экосистемы с природными и технологическими факторами разработки крутопадающих месторождений подземным способом.

2.Предложенная новая технология получения жидких продуктов природного выщелачивания обеспечивает сохранность экосистемы.

З.Эколого- экономическая модель позволяет оценить последствия использования природосберегающих технологий.

Практическое значение работы. Разработан механизм исключающий нарушение стабильности экосистемы, методика неразрушающего управления массивом и математическая модель определения эколого-экономической эффективности экологически чистых технологий пригодны при проектировании модернизированных схем добычи руд из садонских и аналогичных им месторождений.

Обоснованность и достоверность положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

представительностью результатов натурных и лабораторных исследований о состоянии массива и продуктов природного выщелачивания;

применением методов статистической обработки, технико-экономического анализа и экономико-математического моделирования.

Реализация работы. Механизм взаимодействия природных и техногенных факторов в рамках экосистемы, критерии экологической чистоты технологии, методы неразрушающего управления массивом и очистки стоков апробированы и дали положительные результаты на Садонском СЦК.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на Тырныаузском ВМК (1997 г.) и Садонском СЦК (1997 г.), на кафедрах ТРМ и экологии СКГТУ (1998 г.), на кафедре экологии СОГУ (1998 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7 статьях, 4 отчетах о НИР с номером государственной регистрации и в монографии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из общей характеристики работы, 5 глав, выводов, заключения и списка литературы из 96 наименований, содержит 24 рисунка, 19 таблиц и 128 страниц машинописного текста.

Автор благодарит д.т.н.,проф. Голика В.И., д.т.н., проф. Алборова И.Д., д.т.н.,проф. Липового А.И., к.т.н., доц. Кабисова Х.Г.за постоянное внимание и ценные советы, а также сотрудников кафедр ТРМ и экологии СКГТУ и Садонского СЦК за содействие при выполнении диссертационной работы.

Глава 1. ЭКОЛОГО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЗРАБОТКИ САДОНСКИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ, ЦЕЛИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Особенности разработки месторождений

Садонские месторождения относятся к распространенной группе жильных. Полиметаллические руды добывают из Садонского, Згидского. Архонского, Холстинского и Джимидонского месторождений. Перспективы увеличения объемов добычи связаны с вовлечением в эксплуатацию запасов на флангах и глубинах Садона и Згида, верхних горизонтах Холста и Згида, а также с разработкой новых месторождений: Ногкау, Восточный Джимидон, Бозанг и новых площадей (Орах-Ком). Резервом добычи металлов в недрах отбитой руды являются потери.

Свинцово-цинковое оруднение гидротермального типа кварц-полиметаллической формации в палеозойских гранитоидах приурочено к Дигоро-Осетинской структурно-формационной зоне в пределах Садоно-Згидской антиклинали. Ядро антиклинали сложено гранитами, крылья - осадочными и вулканогенными породами нижней и средней юры. Мощность вулканогенной толщи от 30 до 800 м на северо-восточном крыле. Складчатость осложнена региональными сбросами и сбросо-сдвигами. В системе субпараллельных зон смятия оруденение локализовано в форме кварцевых и кварцево-карбонатных жил и прожилков, нередко брекчированных с гнездообразными скоплениями сульфидов свинца, цинка, меди и железа. Рудные тела сложной морфологии с пережимами, раздувами и рудными столбами. Зоны разбиты тектоническими нарушениями различного порядка и дислоцированы до- и пострудными тектоническими движениями. Рудные тела залегают на глубинах до 250 м.

Форма рудных тел - зоны, жилы, линзы, прожилки. Галенит преобладает на верхних горизонтах, а сфалерит и пирротин - на нижних. Основные компоненты руд - свинец и цинк. Всего же извлекаемых компонентов до де-сяти.Промышленное оруденение локализовано в центральной зоне смятия -Главном рудном разломе.

Месторождения вскрыты штольнями и стволами. Руду добывают системами разработки с открытым выработанным пространством и естественным управлением массивом. Преобладают варианты с магазинированием, различающиеся высотой отбиваемого слоя руды, разубоживанием от 15 до 40%, потерями 5-6%. В геологическом строении Садонского месторождения принимают участие кристаллические сланцы, известняки, граниты, грано-диориты и связанные с ними жилы аплитов, пегматитов и кварцевых диоритов, вулканогенные отложения базальных конгломератов, кварцевых порфи-ров и альбитофиров, порфиритов, кератофиров, туфобрекчий, аспидных сланцев, песчаников и четвертичных отложений.

Садоно-Унальская антиклиналь в субширотном отношении осложнена продольными и поперечными нарушениями, на которых концентрирующим оруденением является Садонский разлом. В пределах разлома образована зона раздавленных пород, вмещающих крупные и мелкие рудные тела полиметаллического состава в форме ветвящихся и параллельных жил или прожил-ково-вкрапленников. Простирание месторождения до 4,5 - 5 км, падение до 1,5 км. Мощность жил изменяется в пределах 0,2 - 2,6 м, протяженность 20 -50 м, редко более. Месторождение вскрыто более, чем на 40 горизонтах системой горных выработок на глубину более 1000 м. Кварцево-полиметаллические руды локализованы в геологических блоках протяженностью 80 - 160 м, разобщенных безрудными интервалами длиной 200 -400 м.

В начальный период промышленного освоения преобладающей системой разработки были горизонтальные слои с сухой закладкой, которая добывалась присечкой боковых пород и сортировкой руды. С 1956 г. применяется система разработки с магазинированием руды по двухстадийной схеме: в первую стадию камерные запасы, во вторую - после выпуска замагазиниро-ванной руды - этажные и блоковые целики. В 1958 году начата повторная разработка потерянных ранее запасов и "металлоносной" сухой закладки вариантами с обрушением.

В шестидесятые годы получили распространение системы горизонтальных слоев с закладкой, с креплением и закладкой в вариантах выемки блоков снизу вверх и сверху вниз. С увеличением глубины разработки и интенсификацией горного давления появились варианты горизонтальных слоев с закладкой пустот лесом и нисходящей выемкой. С 1967 г. освоена система разработки слоевого обрушения, в том числе с гибкими перекрытиями. По принципу состояния пустот применяли варианты:

Система слоевого обрушения с гибкими перекрытиями. Поперечно-гибкие и продольно-гибкие перекрытия длиной 40 м, шириной 1,5 м собирали на почве. Над поперечно-гибким перекрытием создавали "подушку" из леса. Над продольно-гибким перекрытием руду обрушали непосредственно на перекрытие.

Горизонтальные слои с закладкой породой. По мере подъема работ наращивали рудоспуски, а пустоты частично заполняли хвостами сортировки горной массы.

Горизонтальные слои с закладкой лесом. По мере подъема горных работ в блоке в открытом выработанном пространстве выкладывали крепежные конструкции ("костры"), сплошь перекрытые лесом.

Варианты с магазинированием применяли при разработке сравнительно выдержанных по элементам залегания рудных тел:

- блоковое магазинирование руды с выемкой по восстанию;

- блоковое магазинирование с потолкоуступной выемкой;

- блоковое магазинирование с отбойкой руды из восстающих;

- слоевое магазинирование руды;

- подэтажное магазинирование руды;

- кучное магазинирование руды.

За 160 лет эксплуатации месторождения рудные запасы отработаны на площади около 1 км по глубине и более 2 км по простиранию. Особенность технологии разработки месторождения связана с изменением кондиций на руду.До освоения технологии получения цинка добывался штуфной галенит, а цинковую обманку использовали вместе с некондиционным для того времени галенитом для заполнения пустот. Суммарное содержание свинца и цинка в закладке этого периода достигает 10-12%. В 1930-1950 гг. закладкой был материал с содержанием металлов 2-3%. В шестидесятые годы при использовании горизонтальных слоев с закладкой отсортированной породой и лесом в выработанном пространстве накоплены руды с содержанием металлов, превышающим плановое содержание последних лет. Количество "металлоносной" закладки оценивается в 1 млн. т руды с промышленным содержанием металлов.С 1958 по 1972 гг. закладки добыто более 600000 тонн с содержанием 1,39% свинца и 2,42% цинка. С 1972 по 1990 гг. в год добывается более 100 тыс. т закладки или 80-85% рудничной добычи.

Структура Згидского рудничного поля развита на основе антиклинальной структуры района. Сбросы пересекают рудные тела, разобщают их на участки со значительными смещениями и являются экранами для оруднения. Пострудная тектоника проявлена нарушениями меньших классов: взбросами, надвигами, сбросами с амплитудами смещения от десятков сантиметров до метров.Запасы локализованы в крупных рудных жилах, а также мелких: Га-цировская, Бельгийская, Речная и др. Рудные тела весьма невыдержанны по

простиранию и падению. Мощность изменяется от 0,15 до 3,0 м. Коэффициент крепости руды по Протодьяконову 10-16, коэффициент разрыхления 1,4-

о

1,5, объемный вес 3,0 - 3,2 т/м , влажность 5 - 7%. Рудные минералы: галенит, сфалерит, пирит, халькопирит, магнетит, тетраэрдит.

Вмещающие породы: граниты, гранодиориты, кварцевые диориты и кератофиры покровного типа - крепкие, слаботрещиноватые и сравнительно устойчивые. Коэффициент крепости по Протодьяконову от 8 у кератофиров,

Л

до 18 у гранодиоритов. Объемный вес пород 2,7 - 2,8 т/м .

Промышленная разработка закладки начата в 1945 г. В годы максимального развития работ годовая производственная мощность достигала более 200 тыс. т руды или около 10-12 тыс.т металла. В верхней части добывали руды с содержанием свинца 10 - 25% и 2 - 4% цинка. Первые пятнадцать лет производственная мощность увеличивалась, достигнув пика в 1960 г. В последующие годы объемы добычи руды оставались стабильными, но выпуск продукции уменьшался.

Система разработки с магазинированием и последующей закладкой камер материалом, добываемым в карьерах на поверхности непосредственно над образуемыми пустотами и перепускаемым с верхних горизонтов на нижние.

Система разработки с магазинированием без закладки образованных пустот.

Система разработки горизонтальными слоями с закладкой, бетонируемой послойно цементным раствором.

Система разработки подэтажных штреков, в том числе послойное ма-газинирование с открытыми пустотами.

В результате разработки Садонских рудников в выработанном пространстве активизировались геотехнологические процессы, в ходе которых воды переводят в раствор и выносят цинк и свинец в количествах, на не-

сколько порядков превышающих ПДК (предельно допустимая концентрация). Руды месторождений - полиминеральные, среднезернистые, с неравномерным распределением минералов, прорастаниями, замещениями и микротрещинами наследственных деформаций благоприятствуют растворению. Потери в недрах Садонских рудников оцениваются в 2 млн. тонн с содержанием свинца около 2,6% и цинка более 3%.

Основная причина природного выщелачивания - использование технологий разработки месторождений без компенсации пустотности. В выработанном пространстве Садонского рудника выщелачивается более 1 млн. т металлосодержащей закладки. Древняя богатая закладка отработана, но в пустотах накоплены геоматериалы последних лет с содержанием 0,6 - 1,2% сответственно свинца и цинка. Более поздняя закладка содержит окисленные металлы и обладает малой фильтрационной способностью. В рыхлой закладке из окварцованных пород фильтрационная способность высока, а процесс выщелачивания интенсифицируется встречными потоками воздуха и воды по зонам обрушения с выходом на земную поверхность.

л

Содержание цинка в шахтных водах достигает 308 г/м и свинца 10 г/м3. Опытное извлечение металлов осуществлено И.А.Остроушко [72] из закладки с содержанием цинка 0,55% и свинца 0,15%. Крупность: 80% проходимости сквозь сито 15 мм. Реагент: хлорная вода с содержанием хлора 0,8 -

т л л

1,2 г/дм . Извлечение: цинка 40 - 460 мг/дм , свинца 4,5 - 6,0 мг/дм [73,74].

В недрах Архонского рудника потеряно до 150000 тонн руды, до 7000 тонн цинка и 3000 тонн свинца. Концентрация металлов в воде на уровне устья штольни №22 - 60-70 мг/дм цинка и 6,5 - 7,0