автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Управление процессами подготовки мерзлых золотоносных аллювиальных пород к разработке методом промывки

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

__РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ _

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

УДК 622. 244: 622. 235

БЕЛЬЧЕНКО ЕВГЕНИИ ЛЕОНИДОВИЧ

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ ПОДГОТОВКИ МЕРЗЛЫХ ЗОЛОТОНОСНЫХ АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ПОРОД К РАЗРАБОТКЕ МЕТОДОМ ПРОМЫВКИ

Специальность 05.15.11 -«Физические процессы

горного производства»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -профессор, доктор технических наук, заслуженный деятель науки и техники РФ, лауреат Государственной премии РФ Гончаров С.А.

МОСКВА 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................ 4

1. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РАЗРАБОТКИ РОССЫПНЫХ МЕСТРОЖДЕНИЙ СЕВЕРА.................................... 8

1.1 Основные технологические решения при разработке мерзлых

пород россыпных месторождений Севера ....;....„............................ 8

1.2. Анализ способов взрывного рыхления породных массивов......... 13

1.3. Анализ исследований по проблеме гидравлической оттайки мерзлых золотоносных аллювиальных пород................................. 18

1.4. Задачи исследований......................................................................... 24

2. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МЕРЗЛОГО ПОРОДНОГО МАССИВА ПРИ ЕГО ВЗРЫВНОМ РЫХЛЕНИИ 26

2.1. Анализ закономерностей распространения цилиндрических

волн напряжений в неограниченном пространстве......................... 26

2.2. Обоснование рационального распространения отбойных скважин

на уступе в квазиоднородном породном массиве ........................... 34

2.3. Обоснование критерия эффективности взрывного рыхления породного массива............................................................................. 43

2.4. Анализ результатов расчета и обоснование рекомендаций............. 48

2.5. Выводы.............................................................................................. 57

3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПРЕДОХРАНЕНИЯ ПРОМЕРЗАНИЯ ТАЛЫХ АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ПОРОД В ЗИМНИЙ ПЕРИОД................................................................................................ 58

3.1. Оценка параметров процесса промерзания талых аллювиальных пород в зимний период на основании приближения Лейбензона ... 58

3.2. Оценка параметров промерзания талых аллювиальных пород в зимний период................................................................................... 63

3.3. Предотвращение промерзания талых аллювиальных золотоносных пород в зимний период..................................................................... 7!

3.4 .Теплоизоляция талых аллювиальных золотоносных пород в отвале при условии допущения их промерзания на заданную глубину................................................................................................................................................................................................77

3.5. Выводы.................................................................................................................................................85

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ОТТАИВАНИЯ МЕРЗЛЫХ ГОРНЫХ ПОРОД........................................... 87

4.1. Исследование процессов игловой гидрооттайки мерзлых пород....... 87

4.2. Анализ гидродинамических потерь напора при гидрооттайке......... 105

4.3. Обоснование технико-экономических критериев оптимизации

гидрооттайки............................................................................................................................................................................114

4.4. Методика расчета себестоимости гидрооттайки в зависимости от свойства пород, режима гидрооттайки и геометрических параметров водопроводов.................................................................... 120

4.5. Выводы ................................................................................................................................................................124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................................................................................................................126

ЛИТЕРАТУРА.......................................................................................................129

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................................................................136

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время золото в России добывают главным образом на россыпных месторождениях в суровых климатических условиях (Чукотка, Якутия, Магаданская обл.), где до девяти месяцев в году аллювиальные золотоносные породы находятся в мерзлом состоянии. Основная технология добычи золота - это промывка золотоносных аллювиальных пород на полигонах и получение шлихового золота с последующим его обогащением на стационарных обогатительных фабриках.

В указанных выше регионах добычи золота аллювиальные золотоносные породы находятся в мерзлом состоянии, и только верхний их слой оттаивает за летний период на глубину не более 2 метров. Оттаявшие за летний период породы, зимой снова промерзают на всю глубину.

Добыча россыпного золота из аллювиальных пород методом промывки в районах Чукотки, Якутии, северной части Магаданской области является малоэффективной из-за длительности периода года с отрицательными температурами и короткого срока промывочного сезона (максимум четыре месяца). Для этих регионов главной проблемой добычи золота при разработке золотоносных аллювиальных пород методом промывки является увеличение сроков промывочного сезона. Решение этой проблемы может быть осуществлено за счет более раннего ее начала. Для этого необходимо к началу сезона с положительными температурами воздуха (середина мая - начало июня) создать запас талых аллювиальных золотоносных пород и интенсивно проводить мероприятия по оттаиванию многолетне- и сезонномерзлых пород. Это можно обеспечить за счет создания в предыдущем промывочном сезоне специальных утепленных складов (отвалов) талых пород, а также за счет применения мероприятий по интенсификации оттайки мерзлых пород: взрывное и механическое их рыхление и оттаивание за счет солнечной радиации, гидрооттаивание многолетне- и сезонномерзлых пород с помощью гидроигл.

Решению задач по промерзанию талых и оттаиванию мерзлых пород, их взрывному и механическому рыхлению посвящены работы Богданова Е.И., Викторова С.Д., Гольдмана В.Г., Гончарова С.А., Демидюка Г.П., Дробаденко В.П., Друкованного М.Ф., Емельянова В.И., Ефремова Э.И., Закалинского В.М., Знаменского В.В., Казакова H.H., Крюкова Г.М., Кутузова Б.Н., Кудрявцева

B.А., Мосинца В.Н., Некрасова Л.Б., Оловина Б.А., Павлова A.B., Перлыптейна Г.З., Порхаева Г.А. Рябеца Н.М., Савенко ЛИ., Сулина Г.А., Чистопольского

C.Д., Ханукаева А.Н., Шувалова Ю.В. и других.

Несмотря на существенные достижения в указанных выше направлениях проблема удлинения промывочного сезона при разработке россыпных месторождений золота в районах Чукотки, Якутии, Магаданской области все еще не решена.

В связи с этим целью диссертационной работы является разработка научно обоснованных рекомендаций по увеличению длительности промывочного сезона и повышению эффективности добычи золота из аллювиальных многолетнемерзлых и сезонномерзлых пород.

Идея работы заключается в создании в предыдущем промывочном сезоне специальных утепленных складов - отвалов талых золотоносных аллювиальных пород с параметрами утепления, обеспечивающими предотвращение промерзания пород отвала сверху за зимний период, а также в интенсификации оттаивания многолетне- и сезонномерзлых пород за счет их взрывного рыхления и применения гидрооттаивания.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие научные задачи:

- обосновать параметры взрывного рыхления мерзлых аллювиальных пород, обеспечивающих заданную степень их дробления;

- обосновать необходимые параметры теплоизоляционных покрытий складов - отвалов талых золотоносных аллювиальных пород, при которых бы предотвращалось их промерзание в зимний период;

- обосновать оптимальные режимные и технологические параметры гидрооттаивания мерзлых золотоносных аллювиальных пород.

Научные положения, разработанные лично автором , и шс новизна

1. Установлена закономерность изменения напряженного состояния и энергонасыщения массива мерзлых аллювиальных пород при их взрывном рыхлении в зависимости от схемы расположения взрывных скважин на промывочном золотодобывающем полигоне и очередности их инициирования. Максимально равномерное энергонасыщение взрываемых пород достигается при расположении скважин в плане по схеме параллелограммов с острыми углами в их вершинах равными 50-70°.

2. Предложен метод решения задач теплопроводности, позволяющий определить глубину промерзания талых аллювиальных золотоносных пород и толщину теплоизоляционного покрытия, при которой промерзание пород за зимний период происходит на допустимую глубину. Он заключается в том, что на первом этапе определяется приближенно глубина проникновения изотермы Т=0°С для абсолютно сухой породы, а на втором этапе производится уточнение глубины с учетом количества тепловой энергии, необходимой для охлаждения породы от температуры ее талого состояния до температуры фазового перехода «вода-лед».

3. Установлена закономерность изменения радиуса гидроиглового оттаивания мерзлых аллювиальных пород во времени в зависимости от их тепловых свойств и льдистости, а также расхода воды в гидроиглах и ее температуры. На основании ее разработана методика оптимизации режима нагнетания воды в гидроиглы во времени.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждаются:

- совпадением результатов решения тепловых задач с применением предложенного метода с результатами ранее известных методов (отличие не более 5%);

- положительными результатами внедрения рекомендаций диссертационной работы.

Научное значение работы

Установлена закономерность изменения напряженного состояния и энергонасыщения мерзлых аллювиальных пород при их взрывном рыхлении в зависимости от схем расположения взрывных скважин и их инициирования.

Разработан новый метод решения тепловых задач с внутренним источником тепла.

Установлена закономерность формирования таликов в мерзлых аллювиальных породах при их гидроигловом оттаивании в зависимости от льдистости и тепловых свойств пород, а также расхода воды через гидроиглы.

Практическое значение работы

Разработана «Инструкция по производству БВР в условиях Билибинского горно-обогатительного комбината»; ее использование позволило без дополнительных затрат оптимизировать процесс взрывного рыхления мерзлых аллювиальных пород.

Разработан инженерный метод определения толщины теплоизоляционного покрытия складов талых золотоносных аллювиальных пород, при которой предотвращается их промерзание в зимний период.

Разработана «Методика расчета технологических показателей игловой гидрооттайки мерзлых аллювиальных пород в условиях Билибинского ГОКа»; ее использование позволило снизить себестоимость оттаивания мерзлых золотоносных пород на 7-10%.

Реализация выводов и рекомендация работы.

«Инструкция по производству БВР в условиях Билибинского ГОКа» и «Методика расчета технологических показателей игловой гидрооттайки мерзлых аллювиальных пород в условиях Билибинского ГОКа» используются на Били-бинском ГОКе при проектировании и производстве работ на промывочных полигонах.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на технических советах Билибинского ГОКа, а также на секции «Физические процессы горного производства» ежегодной конференции «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 1999 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, содержит 22 рисунка, 5 таблиц, 2 приложения и список литературы из 79 наименований.

1. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РАЗРАБОТКИ РОССЫПНЫХ

МЕСТОРОЖДЕНИЙ СЕВЕРА

1.1. Основные технологические решения при разработке мерзлых россыпных месторождений Севера

При создании новых эффективных технологий в условиях Севера необходимо глубокое исследование физической сущности процессов, протекающих в мерзлом породном массиве, предназначенном для разработки. В современных экономических условиях, характеризующимися нестабильными ценами на технику и оборудование, особое значение приобретают вопросы оперативного изменения технологических режимов работы предприятий, корректировки проектных решений с целью снижения производственных затрат при разработке полезных ископаемых и сокращения сроков окупаемости инвестиций.

При разработке россыпных месторождений Севера открытым способом большое влияние на технико-экономические показатели оказывают климатические условия, определяющие температуру многолетнемерзлых пород и оказывающие влияние на глубину промерзания талых пород в зимний период.

В особых климатических условиях Севера при разработке россыпных месторождений нашел применение бульдозерно-скреперный способ, отличающийся простотой, надежностью, высокой производительностью при разработке легких, средней тяжести и тяжелых разрыхленных пород. Широкое применение этого способа на приисках в зоне вечной мерзлоты обусловлено возможностью послойной отработки золотоносных аллювиальных пород по мере их сезонного оттаивания. К достоинствам этой технологии также относится высокая маневренность техники, что позволяет применять простые технологические схемы вскрытия и добычных работ. К недостаткам бульдозерно-скреперного способа относится снижение производительности при повышенной влажности, наличии мерзлых включений, валунности, а также зависимость от климатических условий, которые определяют глубину оттаивания мерзлых пород и промерзания талых.

Подготовку мерзлых пород к выемке можно осуществлять рыхлением с помощью рыхлителей на базе тракторов [55]. Процесс рыхления мерзлых пород осуществляют мощным навесным рыхлителем при его движении параллельными или взаимно-перпендикулярными заездами на глубину. Следует отметить, что глубина рыхления сезонномерзлых пород выше, чем многолетнемерзлых. Это объясняется тем, что сезонномерзлые породы предварительно обезвоживаются, в результате чего уменьшается их льдистость, прочность и, соответственно, удельное сопротивление разрушению.

Наиболее дорогим способом рыхления мерзлых пород является буровзрывной. Однако, учитывая его универсальность и независимость от климатических условий, он наиболее широко применяется на приисках летом и зимой. При этом для взрывного рыхления пород применяют шпуровые и скважинные заряды, а для проходки скважин используют буровые станки ударно-вращательного, вращательного (шнекового), вибровращательного и шарошечного бурения. К буровзрывным работам при подготовке мерзлых пород к выемке предъявляются требования по кусковатости, развалу взорванной горной массы при полной безопасности работ.

С точки зрения физики процесса разрушения многолетнемерзные породы отличаются от скальных пород отсутствием в них естественных трещин. При этом наиболее трудоемкими при дроблении являются крупнообломочные мерзлые породы с глинистым заполнением.

Наиболее экономичным способом подготовки россыпи к выемке является предварительное оттаивание многолетне и сезонномерзлых пород. Наибольшее распространение получил способ естественного оттаивания под действием солнечной радиации. Этот способ, несмотря на низкую производительность, получил наибольшее распространение, так как отличается простотой организации работ при невысоких материальных затратах на стадии подготовки. На приисках северо-востока России этим способом оттаивают преобладающее количество продуктивных пород. Глубина естественного оттаивания за летний период колеблется в пределах 0,5-2 м. В то же время, в зоне распространения мерзлоты в зимний период происходит полное промерзание верхнего слоя.

Кроме естественного оттаивания в случаях, когда требуется более производительная подготовка мерзлого массива, оттайку производят паром, горячей водой, электронагревом. Однако эти способы требуют высоких материальных затрат и оправданы в исключительных случаях.

Кроме указанных способов на приисках Севера используют гидроигловой, фильтрационно-дренажный и дождевально-дренажный способы оттаивания. В этих способах, как правило, используют воду без предварительного подогрева. Учитывая высокую теплоемкость воды, эти способы гораздо более производительны, чем естественная радиация.

После перевода мерзлых пород в талое состояние, дальнейшую разработку можно осуществлять с использованием экскаваторов и автосамосвалов. Эта технология выемки обеспечивает высокую производительность и надежность. Экскаваторы могут разрабатывать рыхлые отложения различного состава и взорванные породы. При разработке россыпей преобладающее применение нашли одноковшовые экскаваторы, которые технологически связаны с промывочными установками.

Высокие показатели достигаются при применении гидравлического способа разработки, в котором размыв золотоносных аллювиальных пород осуществляется водой непосредственно в забое, в процессе которого получают шлиховое золото [51]. Основным достоинством гидравлического способа явл