Совершенствование технологий и технических средств при разработке урановых месторождений Украины

Актуальность проблемы. Подземная разработка урановых месторождений характеризуется ухудшением горно-геологических и горно-технических условий, повышением требований к охране окружающей среды и недр, безопасности жизнедеятельности человека в зоне влияния горных объектов. Нейтрализация этого влияния достигается за счет применения различных вариантов камерных систем разработки с закладкой выработанного пространства. Недостатки данных систем — высокая стоимость смесей, в том числе вяжущего, достигающая 25-60% стоимости закладки. Значительная доля трудозатрат по системе разработки, достигающая 50%, приходится на подготовку блоков к очистной выемке, около 30% — на бурение и отбойку руды, примерно 15% — на выпуск и погрузку руды. Поэтому совершенствование природоохранных технологий и технических средств добычи урановых руд путем снижения их затрат, повышения интенсификации выпуска руды и закладочных процессов, обоснования сейсмобезопасных параметров буровзрывных работ, рациональных составов твердеющих смесей, охраны недр и окружающей среды и на этой основе создание и внедрение радиационно-безопасных технологий подземной разработки урановых месторождений — вот те важные, имеющие научное и практическое значение задачи, требующие неотлагательного решения.

В Украине единственным центром по добыче и первичной переработке уранового сырья является государственное предприятие Восточный горнообогатительный комбинат (ГП «ВостГОК»). Научное, конструкторско-технологическое сопровождение развития уранового производства осуществляет государственное предприятие Украинский научно-исследовательский и проектно-изыскательный институт промышленной технологии (ГП «УкрНИПИпромтехнологии»).

Ниже приведены научные и практические результаты, полученные при обосновании природо- и ресурсосберегающих технологий и технических средств, обеспечивающих повышение охраны окружающей среды и рациональное использование недр, а также экономическую, экологическую и социальную эффективность разработки урановых месторождений, безопасность жизнедеятельности населения в уранодобывающих регионах, разработанные специалистами ГП «УкрНИПИпромтехнологии» и ГП «ВостГОК» в соответствии с научными программами отрасли и с участием автора по следующим основным направлениям, которые наиболее полно освещались на страницах журнала «Науковий вісник НГУ» в 2004-2007 годах, с участием авторов.

Системы разработки

Разработки, выполненные под научным руководством докторов техн. наук В.Н. Мосинца и М.Н. Слепцова, позволили осуществить ряд новых технических решений, включающих отработку урановых месторождений системой подэтажных штреков (ортов) с заполнение выработанного пространства твердеющей песчано-шлаковой закладкой (рис. 1); совместную отработку месторождений на один комплекс по выдаче горной массы, внедрить централизованную подготовку и нарезку группы залежей из наклонных съездов, пройденных по породе (рис. 2) и руде (рис. 3), отработку камерами под рекой, параметры буровзрывных работ на очистной выемке и проходке выработок, твердеющую закладку с использованием местных низкосортных песков [1, 2]. При этом сохранены поверхностные объекты и жилые дома при отработке залежей под р. Ингул (Украина) и под застройкой г. Кировограда [3]. Освоены вскрытие месторождений этажами повышенной высоты и на один концентрационный горизонт, проходка промежуточных горизонтов с помощью самоходной техники, применение участковых спиральных съездов, централизованных или групповых схем подготовки эксплуатационных блоков, запроектирована каскадная отработка новых урановых месторождений Украины и СНГ. Это способствовало не только росту производительности труда, концентрации и интенсификации подземных работ, но и значительному снижению выхода пустых пород от проходки выработок, уменьшению отчуждения земель под отвалы пустых пород. Широко известны пионерные достижения в освоении технологии приготовления закладочных смесей, контролем за качеством, режимом транспортирования и формированием закладочного массива.

Рис. 1. Подготовка и нарезка блока из восстающих: 1 — подэтажный штрек (буровой); 2 — восстающий материальный; 3 — вентиляционно-ходовой; 4 — выработки днища для самоходной техники; 5 — закладочная выработка

формированием закладочного массива.

Рис. 2. Групповая подготовка и нарезка блоков из рудного наклонного съезда: 1,2 — ортовая и штрековая ветви спирали; 3 — восстающий; 4 — породный подэтажный штрек; 5 — подэтажные буровые орты; 6 — орт-заезд; 7 — горизонт вторичного дроб-ления; 8 — вертикальные выработки днища (дучки); 9 — отрезной верстающий; 10- отрезной штрек

формированием закладочного массива.

Рис. 3. Централизованная подготовка группы залежей из наклонных съездов: 1 — выработки спирали; 2 — наклонные выработки, соединяющие залежи; 3,4- отрезные орты и восстающие; рудоперепускники; 6, 7 — подэтажные буровые и хозяйственные горизонтальные выработки

Разработана и внедрена система наблюдений напряженным состоянием горного массива на горнодобывающих предприятиях (геомеханический мониторинг) посредством звукометрических, маркшейдерских и оптических приборов, струнных тензометров, глубинных и грунтовых реперов, электрических цепей, визуальных и косвенных методов по изменению минерализации шахтной воды (р. Ингул), нашедших применение при подземной разработке урановых и других месторождений сложной структуры.

Вибрационная техника. Осуществлялась разработка, испытания и доводка до серийного производства горных вибропитателей. Обоснованы параметры и разработаны новые конструкции шахтных и бункерных вибропитателей, вибрационных питателей грохотов, просеивающих поверхностей к ним, устройств для ликвидации налипаний в бункерах пунктов перегрузки горной массы в карьерах, обеспечивающих повышение производительности, надежности и снижение удельной энергоемкости пуска и погрузки горной массы, а также созданы и освоены машины, которые успешно работают на Криворожском железорудном комбинате, производственном объединении «Уралзолото», Полтавском ГОКе, на горных предприятиях урановой промышленности Украины, Российской Федерации, Казахстана, Киргизстана и Узбекистана. Объем вибрационного выпуска горной массы только на ГП «ВостГОК» составляет около 100%.

Совершенствование механизации горных процессов развивалось по пути разработки и внедрение вибрационной техники в технологию добычи и обогащения полезных ископаемых для урановой промышленности Украины. Разработаны машины и оборудование для технологических процессов обогащения урановой руды и утилизации пустой породы в выработанные пространства при отработке нового уранового месторождения Украины, внедрены вибрационные питатели-грохоты и просеивающие поверхности для выгрузки, дозирования и грохочения руды, других материалов на горных предприятиях урановой промышленности Украины, а также ОАО «СевГОК» (Кривбасс), Криворожский металлургический комбинат (ОАО «Арселор-Миттал Кривой Рог») и др.

Буровзрывные работы

Исследования и разработки проводились по совершенствованию их параметров, а также оценке влияния взрывов на горные и поверхностные объекты. В последующем организовано новое направление исследований по специальным способам проходки шахтных стволов методом погружной крепи в тиксотропной рубашке.

Охрана окружающей природной среды и недр

Исследования проводились по следующим направлениям:

  • рекультивация земель, нарушенных деятельностью горнодобывающих предприятий отрасли;
  • обращение с твердыми отходами добычи и переработки урановых руд;
  • защита подземных вод при подземном выщелачивании урана скважинами с поверхности. Разработаны системы мониторинга и произведена оценка влияния технологий выщелачивания руды на окружающую среду;
  • закрепление пылящих поверхностей отвалов и хвостохранилищ;
  • рациональное использование и охрана недр.

Совершенствование технологии добычи урановых руд (включая геотехнологию). Необходимо отметить разработку мероприятий по рациональному использованию недр урановых месторождений, оптимизации потерь и разубоживанию руды при отработке рудных залежей сложной морфологии; разработку прогрессивных экологически безопасных технологий добычи урановых руд; разработку параметров селективной отработки урановых, месторождений и экономическое обоснование нетрадиционных систем разработки.

Впервые в бывшем Советском Союзе согласно рекомендациям институтов ПромНИИпроект, его Украинского филиала и ВНИИХТа внедрена технология добычи урана подземным выщелачиванием на пластовых месторождениях Украины через скважины (месторождения Девладово, Братское, Сафоновское). Проводятся опытно-промышленные испытания добычи урана нетрадиционными способами — блочным (подземным) и кучным (поверхностным) выщелачиванием.

Повышение безопасности разработки урановых месторождений.

Создана и внедрена сейсмобезопасная технология подземной разработки рудных залежей камерными системами с массовой отбойкой руды скважинами малого диаметра (56 и 65 мм) и заполнением выработанных пространств твердеющей закладкой, а также организована система сейсмического мониторинга охраняемых подземных и поверх-ностных объектов (рис. 4), механизация основных технологических процессов при добыче урановых руд на базе самоходной техники с дизельным приводом. Представляют интерес комплексы для проходки горизонтальных, вертикальных и наклонных выработок, разбуривание горного массива системой скважин и его разрушение взрывным способом, транспортирование горной массы к местам погрузки оборудованием зарубежных фирм «Atlas Copco» (буровой станок Boomer 281; погрузочно-разгрузочная машина ST3,5) и «Tamrock» (буровой станок Минибур 1Ф; погрузочно-разгрузочная машина TORO 151). их технические характеристики приведена в таблице.

Рис. 4. Система разработки подэтажными штреками (а) ортами (б) с закладкой выработанного пространства твердеющей смесью: 1,2 — штреки откаточный и вентиляционный; 3 — коллектор; 4 — съезд; 5 — восстающий блоковый; 6 — штрек подэтажный; 7 — штрек подсечной; 8 — дучка; 9 — взрывная скважина; 10 — отбитая руда; 11 — твердеющая закладка; в — веер взрывных скважин: 1- 17 — номера взрывных скважин; 6,0…12,5 — глубина взрывных скважин, м; I, II, III — очередность взрывания секций в веере; I — размер экранирующей зоны, м; А — зона недозаряда скважин.

Совершенствование технологии заполнения выработанного пространства камер твердеющими смесями. Представляет научный и практический интерес разработка твердеющих смесей с уменьшенным расходом дорогостоящего вяжущего для закладки выработанного пространства камер на урановых шахтах ГП «ВостГОК». Совместно со специалистами Днепропетровского химико-технологического университета проведены лабораторные исследования твердеющих смесей с уменьшенным расходом дорогостоящего и дефицитного вяжущего для закладки выработанного пространства камер на основе доменных гранулированных шлаков Криворожского, Мариупольского, Запорожского, Днепропетровского и Днепродзержинского металлургических комбинатов. Кроме того, для урановых месторождений созданы и внедрены технологии и технические средства для активации компонентов твердеющей смеси (вяжущего, инертного заполнителя и воды затворения) на стадиях подготовки и транспортирования ее к месту укладки.

Охрана труда

В соответствии с приоритетным развитием науки и техники по реализации программы «Экологически чистая энергетика и ресурсосберегающие технологии» [8] разработана эффективная и надежная технология борьбы с пылью при перевозке горной массы железнодорожным транспортом путем герметизации железнодорожных полувагонов тканевыми отходами производства и смачивания пылящих поверхностей водным раствором природного бишофита. Разработаны технологии борьбы с пылью при перевозке горной массы железнодорожным транспортом, а также способы пылеподавления при складировании, хранении полезных ископаемых, отходов добычи и переработки руд на объектах урановой промышленности Украины.

Радиационная безопасность

По этому направлению необходимо выделить работы, связанные с разработкой радиационно-безопасной технологии использования хвостов обогащения урановых руд (ГМЗ), для заполнения выработанного пространства на урановых шахтах; мероприятий по охране окружающей среды и населения, проживающего в зоне влияния урановых объектов; разработкой способов пылеподавления при складировании, хранении полезных ископаемых, отходов добычи и переработки руд на объектах урановой промышленности. На опытном полигоне апробирована технология закрепления пылящих поверхностей с использованием гранул на основе грунто-смеси.

Автоматизированные комплексные систем управления горными работами и ресурсами на основе систем K-MINE и КСУП KAI. Цель геоинформационной системы — создание единого информационного массива геопространственных данных для возможности автоматизации процессов съемки проектирования и планирования горных работ адаптации ее для урановых месторождений Украины.

Ее назначение:

  • геолого-экономическая оценка эффективности отработки месторождений, технико-экономическая оценка кондиций запасов полезны ископаемых;
  • подсчет потерь и разубоживания руды и полезного компонента в ней при ведении горных работ выходом на технико-экономические показатели о работки месторождения;
  • обоснование качества оперативного и перспективного проектирования горных выработок на основе созданной цифровой модели залежи;
  • планирование объемов добычи предприятия для различных временных интервалов;
  • оперативное отображение пространственной информации по ведению горных работ.

В основу работы геоинформационной системы положены принципы создания, хранения и использования массивов геопространственных данных в трехмерном пространстве, использование математического аппарата, позволяющего существенным образом автоматизировать работу персонала, занимающегося вопросами проектирования горных работ, использование алгоритмов и методов оптимизации позволяет повысить качество планирования и снизить время на принятие управленческих решений.

Система имеет модульную структуру и состоит из следующих основных частей (рис. 5):

  • информационный массив геопространственной информации по горным выработкам, блочная и каркасная объемная модель рудной залежи;
  • модули маркшейдерского и геологического обеспечения горных работ;
  • модули проектирования горных выработок, буро-взрывных и планирования горных работ;
  • модули формирования подземных коммуникаций (системы вентиляции, газо- и водоснабжения и т.д.) и наземных (здания, сооружения, транспортные артерии и т.д.).

На основании существующей графической информации для горных предприятий создается единый массив геопространственных данных, описывающий структуры горных выработок, трехмерную каркасную модель рудных залежей, схемы коммуникаций (железнодорожные пути, трубопроводы водо- и газоснабжения, кабельные, дренажные и вентиляционные сети и т.д.) и другая информация.

Геологическая и маркшейдерская службы предприятия являются основными потребителями геопространственной информации. Для автоматизации процесса пополнения исходной информации о структуре горных выработок, а также для выполнения разметочных и разбивочных работ при нарезке новых забоев, определении направлений проходки и прочих маркшейдерских работ используются электронные тахеометры, а также радиометрические и геодезические приборы типа Sokkia, Trimble, Topcon, Nicon, Leica, ДКС-96М, ПАКС-4, ОХРА-Ш и др. Приборы позволят значительно ускорить выполнение съемок, уточнение контуров рудных залежей, подсчет промышленных запасов эксплуатационного блока, расчет потерь, разубоживания руды и полезного компонента в ней, а также решение других маркшейдерских задач и планирования горных работ, повысить их качество и ускорить процесс обработки съемок и ежесуточного пополнения исходными данными. Наибольшая эффективность системы достигается при ее использовании при проектировании и планировании горных работ.

Накопленный опыт и научные знания позволили разработать авторам новую геоинформационную систему K-MINE, которая базируется на использовании специальных графических библиотек OpenGL, DirectX и др. Основные разработки вне-дрены и показали положительные результаты на ГОКах Днепропетровской и Донецкой областей, в Госкомиссии Украины по запасам полезных ископаемых, институтах Государственной геологической службы Украины, Госгорпромнадзора Украины и др. В настоящее время ГИС K-MINE сертифицирована на соответствие международных стандартов ISO (Сертификат соответствия международным стандартам ISO/IEK 12119: 1994 ЖШ.003.0105381-05), имеет рекомендации Госпромгорнадзора Украины для использования ее на предприятиях с открытым и подземным способом добычи полезных ископаемых (лицензия Государственной геологической службы Украины, серия АВ №047455 от 31.03.2006 г.).

Эффективность горной технологии

Она определяется при сравнении вариантов разработки с учетом затрат на всех переделах и защиту населения, проживающего в зоне влияния горных объектов (Зн) по критерию сохранности земной поверхности опи-сывается аналитической моделью авторов согласно формуле.

где Цдр — суммарная извлекаемая ценность конечной продукции из металлосодержащих руд, ден. ед.; Сдр -суммарные затраты на добычу и получение конечной продукции, ден. ед.; У — суммарный ущерб, наносимый (-) окружающей среде или предотвращаемый (+) с учетом затрат на защиту населения, проживающего в зоне влияния горных предприятий (Зн), ден. ед.; Е — коэффициент дисконтирования затрат и прибыли во времени t применения оцениваемой технологии, доли ед.

Внедрение научных и практических результатов — проведенных исследований на предприятиях урановой промышленности Украины рассматривается в рамках разработанной ГП «УкрНИПИпромтехнологии» «Программы развития уранового производства на период до 2030 года» («Уран Украины») [6].

Выводы. Комплексное повышение эффективности всех технологических процессов горного производства, включающих рациональные схемы вскрытия (многоэтажное вскрытие с шагом 240 м), подготовки и нарезки эксплуатационных блоков (спиральными съездами на 3-5 блоков), увеличение высоты этажа с 60 до 90 м, позволило повысить интенсивность отработки месторождений в 1,3-3,5 раза, производительность труда по системе разработки — в 2,2 раза, увеличить до 40-45% использование технических ресурсов и снизить трудовые затраты до 20-22%.

Применение торцового выпуска руды самоходными погрузочно-доставочными машинами обеспечивает уменьшение объема подготовительно-нарезных работ на 20-70%, увеличение производительности труда на 20-25% и снижение потерь полезного ископаемого на 1-2% при восходящем порядке отработки крутопадающих рудных тел камерными системами разработки с закладкой.

Повышение интенсивности работ позволяет снизить нормативную прочность твердеющей закладки с 8,5 до 3,5 МПа, в 1,5-2 раза, сократить расходы вяжущего, использовать низкосортные пески и отходы горнометаллургического производства. Оптимальная крупность пород, с учетом затрат на дробление, трубопроводный транспорт и плотности укладки в отработанных камерах, рекомендована в пределах 25-35 мм. Оптимальная тонкость помола шлака составляет 50-60% частиц крупностью 0,074 мм. В результате частично решена проблема дефицита инертных заполнителей и на 30-50% снижена себестоимость закладочных работ.

Сравнительный анализ технических показателей горношахтного оборудования фирм «Atlas Copco» и «Tamrock» показал:

  • производительность комплекса машин «Boomer281 — ST3,5» фирмы «Atlas Copco» на проходческих работах в 2 раза выше производительности комплекса «Минибур 1Ф — TORO 151» фирмы «Tamrock»;
  • буровой станок Siraba H250 фирмы «Atlas Copco» по мощности двигателя и массе машины в 1,5 раза выше, чем у бурового станка SOLO 1L фирмы «Tamrock»;
  • сечения подготовительно-нарезных выработок (буровых ортов и подходных выработок) для оборудования фирмы «Atlas Copco» требуют большего годового расхода основных материалов, чем фирмы «Tamrock», а именно: твердых сплавов — на 412 кг, буровой стали — на 12,4 т, лесоматериалов — на 99,7 м3.

Повышение качества отработки урановых месторождений; эффективности планирования горных работ, их рентабельности достигается за счет применения модулей маркшейдерско-геологического обеспечения горных, включая буровзрывных работ, проектирования и планирования выработок, строительство генеральных планов, системы энергообеспечения, решение задач диспетчеризации и др., что является важным фактором существования предприятия в условиях рынка.

Для адаптации и внедрения автоматизированной комплексной технологии управления горными работами и ресурсами при разработке урановых месторождений Украины (эксплуатируемых и вновь вводимых) новой геоинформационной системы на основе ГИС K-MINE и КСУП KAI, необходимо предусмотреть средства на 2008-2010 годы для решения вышеуказанных задач.

Заключение. Полученные результаты не исчерпывает проблему природо- и ресурсосбережения, охраны окружающей среды и человека. Развитие методических основ оптимизации горной технологии должно привести к созданию соответствующей подсистемы автоматизации проектирования и планирования горных работ, повышению радиационной безопасности окружающей среды и здоровья населения, проживающего в уранодобывающем и перерабатывающем регионе.

УДК 622.274.4: 681.51

Ю.И. Кошик, В.И. Ляшенко, М.В. Назаренко

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>