Раздел 2. Описание общих технологических процессов и методов

Раздел 2. Описание общих технологических процессов и методов

Разработка месторождений, как угольных, так и рудных, представляет собой комплекс взаимосвязанных организационно-технологических процессов горного производства по извлечению полезных ископаемых из недр земли. Добыча, а также первичное обогащение, проводимое в рамках единого ресурсного цикла добыча-обогащение, осуществляется горнодобывающими предприятиями.

Жизненный цикл горнодобывающего предприятия определяется лицензионными условиями отработки месторождения, требованиями технической безопасности ведения горных работ, оптимальным сочетанием экономических интересов недропользователя, состоянием и перспективами развития сырьевой базы, сохранением минерально-сырьевого потенциала для будущих поколений, уровнем использования технической базы при соблюдении природоохранных требований. Промышленное освоение запасов месторождения включает в себя следующие этапы: лицензирование, изыскательские и геологоразведочные работы, проектирование, строительство, эксплуатацию (добычу и обогащение), ликвидацию предприятия, рекультивацию нарушенных земель.

Схема жизненного цикла горнодобывающего предприятия представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Жизненный цикл горнодобывающего проекта

Как правило, промышленное освоение запасов месторождения начинается с изыскательских и геологоразведочных работ. В процессе геологоразведочных работ определяются общие (балансовые) запасы полезных ископаемых, подлежащие отработке на лицензионном участке, выявляются особенности месторождения. Инженерные изыскания выполняются с целью изучения природных условий и факторов существующего техногенного воздействия на окружающую среду.

По результатам изыскательских и разведочных работ выполняется проект разработки месторождения, определяющий принципиальные решения по будущему освоению месторождения - от геологического строения и ресурсного потенциала до выбора способа добычи, подготовки и транспортировки сырья путем сравнительной экономической оценки вариантов возможных инженерных решений. На стадии проектирования намечаются технологии вскрытия месторождения, добычи и переработки добываемого сырья, используемые техника и оборудование, основные технологические объекты с определением мест их предварительного размещения, разрабатываются мероприятия по охране окружающей среды. После завершения разработки, согласования и утверждения технического проекта разработки месторождения, оформления земельных участков под строительство и пр. начинается период строительства.

На следующем за строительством этапе эксплуатации производится вскрытие месторождения с транспортировкой и складированием пустой породы, выемка полезного ископаемого, транспортировка его к местам дальнейшей переработки (в случае наличия в составе горнодобывающего предприятия обогатительного комплекса) или к местам полезного использования. Продолжительность данного этапа эксплуатации может быть разной, и определяется совокупным влиянием ряда факторов: лицензионными условиями, обеспеченностью рентабельными запасами, рыночными потребностями в продуктах добычи и переработки минерального сырья, горно-геологическими, экономическими, экологическими ограничениями.

После отработки балансовых запасов при отсутствии перспектив их прироста (прирезки) и нецелесообразности вовлечения в добычу забалансовых запасов горнодобывающее предприятие подлежит ликвидации, горные выработки консервируются, нарушенные в результате хозяйственной деятельности предприятия земли рекультивируются, создается система мониторинга состояния окружающей среды в зоне ликвидации горнодобывающего предприятия.

2.1 Геологоразведочные работы

Разведка месторождений полезных ископаемых - комплекс геологических исследований и работ, проводимых с целью определения пространственно-морфологических, объемно-качественных, гидрогеологических и инженерно-геологических параметров месторождения, необходимых для его геолого-экономической оценки.

Геологоразведочные работы (ГРР), проводимые на территории Российской Федерации, независимо от источников их финансирования, осуществляются в рамках регулярно актуализируемой государственной программы "Воспроизводство и использование природных ресурсов".

В настоящее время в государственном фонде недр вследствие высокой степени геологической изученности практически исчерпаны легко открываемые уникальные и крупные по масштабу запасов месторождения почти всех видов полезных ископаемых. Технология и методика прогноза, поисков и оценки новых объектов, ориентированные на их открытие, были детально отработаны достаточно давно и без изменений используются в настоящее время.

На развитие и повышение инвестиционной привлекательности отечественного минерально-сырьевого комплекса направлена деятельность Минприроды России, осуществляющего государственную политику в области геологического изучения недр, воспроизводства и использования сырьевых ресурсов. В последнее время основное внимание уделяется проблеме снятия административных барьеров, развития геологоразведочной деятельности и стимулирования рационального пользования недрами. Для этого в 2014 году создана Межведомственная рабочая группа по устранению административных барьеров в сфере недропользования, в состав которой вошли представители заинтересованных федеральных органов исполнительной власти, а также крупнейших компаний недропользователей России.

Этапы и стадии геологоразведочных работ

Эффективность геологоразведочных работ зависит от сложности геологического строения изучаемого объекта, выбора оптимального комплекса геолого-съемочных, поисковых и разведочных работ, обеспечивающих необходимую и достаточную информацию для решения поставленной задачи.

В отечественной практике геологические исследования проводятся в соответствии с "принципом последовательных приближений к конечному результату". Соблюдение очередности проведения геологоразведочных работ обеспечивает полноту геологического изучения недр, возможность оперативного учета и анализа геологической изученности для обоснованного выбора направлений поисковых, оценочных и разведочных работ.

Процесс геологического изучения недр осуществляется поэтапно, от регионального геологического изучения недр до эксплуатационной разведки месторождения и может продолжаться годами или даже десятками лет.

В зависимости от целей процесс геологического изучения недр подразделяется на 3 этапа и 5 стадий:

Этап I. Работы общегеологического и минерагенического назначения

- Стадия 1. Региональное геологическое изучение недр и прогнозирование полезных ископаемых

Этап II. Поиски и оценка месторождений

- Стадия 2. Поисковые работы

- Стадия 3. Оценочные работы

Этап III. Разведка и освоение месторождения

- Стадия 4. Разведка месторождения

- Стадия 5. Эксплуатационная разведка

Рисунок 2.2 - Процесс геологического изучения недр

2.1.1 Региональное геологическое изучение недр и прогнозирование полезных ископаемых

Региональное геологическое изучение недр производится с целью получения комплексной геологической информации, составляющей фундаментальную основу системного геологического изучения территории страны и оценки ее минерагенического потенциала. Результатом регионального геологического изучения недр является научное моделирование и ранжирование по экономической значимости перспективных структурно-вещественных и минерагенических комплексов, локальный прогноз и начальная геолого-экономическая оценка потенциальных объектов минерального сырья.

Основными видами работ, проводимых на данной стадии, являются ранжированные по масштабам площадные геологические, гидрогеологические, инженерно-геологические съемки, наземные и аэрогеофизические работы, а также широкий комплекс специализированных работ: объемное, космофотогеологическое, аэрофотогеологическое картирование, тепловые, радиолокационные, многозональные и другие съемки, геолого-экономические, геоэкологические исследования, картографирование, мониторинг геологической среды и пр.

Виды, масштабы, последовательность и комплексность работ по региональному геологическому изучению недр определяются с учетом достигнутой степени геологической изученности, результатов предшествующих минерагенических построений и потребностей социально-экономического развития отдельных территорий и Российской Федерации в целом.

2.1.2 Поиски и оценка месторождений

Поиски и оценка месторождений проводятся с целью прогноза, выявления и предварительной оценки месторождений полезных ископаемых, которые по своим геологическим условиям и технико-экономическим показателям пригодны для рентабельного освоения и включают в себя поисковые и оценочные работы.

Поисковые работы проводятся на новых или недостаточно изученных площадях с целью выявления месторождений полезных ископаемых и определения их перспективности для дальнейшего изучения. Включают комплекс геолого-минерагенических, геофизических, геохимических и др. видов и методов исследований. Для поисков скрытых и погребенных месторождений используется глубокое бурение в сочетании со скважинными геофизическими и геохимическими исследованиями. По совокупности полученной геологической, геофизической и геохимической информации и ее комплексной интерпретации выделяются перспективные аномалии, участки. Проверка природы геофизических и геохимических аномалий, вскрытие, опробование и изучение проявлений тел полезных ископаемых осуществляется поверхностными горными выработками и поисковыми скважинами. В отобранных пробах определяется содержание основных и попутных компонентов, в необходимых случаях - технологические свойства полезного ископаемого.

Основным результатом поисковых работ является геологически обоснованная оценка перспектив исследованных площадей. Выявленные и положительно оцененные проявления включаются в фонд объектов, подготовленных для постановки оценочных работ и выдачи соответствующих лицензий.

Оценочные работы проводятся на выявленных и положительно оцененных проявлениях полезных ископаемых. Цель проведения оценочных работ - определение промышленной ценности объектов минерального сырья.

Для оконтуривания площади и изучения геолого-структурных особенностей потенциально-промышленного месторождения проводится геологическая съемка, сопровождающаяся минералого-петрографическими, геофизическими и геохимическими исследованиями. Изучение вмещающих структурно-вещественных комплексов, вскрытие и прослеживание тел полезных ископаемых осуществляется с поверхности канавами, шурфами, поисково-картировочными скважинами. Изучение на глубину осуществляется преимущественно буровыми скважинами до горизонтов, обеспечивающих вскрытие рудоносных, угленосных структурно-вещественных комплексов, а при глубоком их залегании - до горизонтов, экономически целесообразных для разработки с использованием современных технологий освоения месторождений. При высокой степени изменчивости полезной минерализации или при сильно расчлененном рельефе для изучения объекта на глубину возможно применение подземных горных выработок.

Все вскрытые в естественных и искусственных обнажениях выходы полезной минерализации подвергаются опробованию и анализу на основные и попутные компоненты.

В скважинах и горных выработках осуществляется комплекс гидрогеологических, инженерно-геологических, геокриологических и др. наблюдений и исследований в объемах, достаточных для обоснования способа вскрытия и разработки месторождения, определения источников водоснабжения, возможных водопритоков в горные выработки и очистное пространство. Определяются факторы, негативно влияющие на показатели горного предприятия. Дается характеристика экологических условий производства добычных работ и оценка их влияния на окружающую среду.

По результатам оценочных работ производится подготовка пакета геологической информации для проведения конкурса или аукциона на право пользования недрами с целью геологического изучения, разведки и добычи полезных ископаемых на указанном участке недр.

Поисковые и оценочные работы могут проводиться самостоятельно или совмещаться в рамках одного лицензионного соглашения. На условиях предпринимательского риска лицензия может предоставлять право на совмещение поисковых и оценочных работ с разведкой и освоением месторождения.

Конкретные задачи, полнота, комплексность исследований, конечные геологические результаты и другие условия производства работ отражаются в условиях лицензионного соглашения и геологическом задании.

2.1.3 Разведка и освоение месторождения

Работы данного этапа проводятся с целью изучения геологического строения вновь выявленных и ранее разведанных месторождений, получения информации о количестве и качестве запасов, минеральном и химическом составе полезного ископаемого, его технологических свойствах и других особенностях месторождения с полнотой и достоверностью, обеспечивающих промышленную оценку месторождения, обоснование решения о порядке и условиях вовлечения его в промышленное освоение, а также о проектировании строительства или реконструкции на его базе горного предприятия.

Технология и технические средства производства ГРР, объемы, виды и методы исследований, последовательность и детальность изучения частей и участков месторождения определяются недропользователем с соблюдением действующих стандартов (норм, правил) в области геологического изучения недр, учета запасов полезных ископаемых, контроля за полнотой и качеством их извлечения, а также других условий недропользования, включенных в лицензию на право разведки и добычи полезного ископаемого.

На данной стадии завершается изучение геологического строения месторождения с поверхности с составлением на инструментальной основе геологической карты, проводится геологическая съемка с применением комплекса геофизических и геохимических методов исследований. Приповерхностные части месторождения вскрываются горными выработками (канавы, траншеи, шурфы) и мелкими скважинами. Все выходы тел полезных ископаемых прослеживаются и опробуются с детальностью, позволяющей выявить формы, строение и условия их залегания, установить интенсивность проявления зоны окисления, вещественный состав и технологические свойства полезного ископаемого.

Разведка месторождений на глубину проводится скважинами до горизонтов, разработка которых экономически целесообразна. Месторождения сложного строения разведываются скважинами в сочетании с подземными горными выработками. В случае отработки месторождения подземным способом расположение разведочных горных выработок должно обеспечивать максимально возможное их использование при эксплуатации.

Вещественный состав и технологические свойства промышленных типов и сортов полезного ископаемого изучаются с детальностью, достаточной для проектирования рациональной технологии их переработки с комплексным извлечением полезных компонентов. Гидрогеологические, инженерно-геологические, геокриологические, горно-геологические условия изучаются с детальностью, обеспечивающей получение исходных данных для составления проекта разработки месторождения.

Выполняются работы по изучению и оценке запасов полезных ископаемых, залегающих совместно с основными, дается оценка возможных источников хозяйственно-питьевого и технического водоснабжения, производятся работы по выявлению местных строительных материалов. Разрабатываются схемы размещения объектов промышленного и гражданского назначения и природоохранные мероприятия.

По результатам разведочных работ разрабатывается технико-экономическое обоснование (ТЭО) постоянных разведочных кондиции, производится подсчет запасов основных и попутных полезных ископаемых и компонентов по категориям в соответствии с группировкой месторождений по сложности строения, дается детальная экономическая оценка промышленной ценности месторождения.

Технико-экономическое обоснование освоения месторождения, материалы подсчета запасов и результаты геолого-экономической оценки, включая обоснование постоянных разведочных кондиций, подлежит государственной геологической, экономической и экологической экспертизе.

Эксплуатационная разведка проводится в течение всего периода освоения месторождения с целью получения достоверных исходных данных для безопасного ведения работ, оперативного планирования горно-подготовительных, добычных работ, обеспечения наиболее полного извлечения из недр запасов основных и совместно с ними залегающих полезных ископаемых и попутных компонентов.

Основные задачи эксплуатационной разведки - уточнение контуров, вещественного состава и внутреннего строения тел полезного ископаемого и качества запасов по технологическим типам и сортам с их геометризацией, уточнение гидрогеологических, газодинамических, горнотехнических и инженерно-геологических условий отработки по отдельным участкам, горизонтам, блокам.

По результатам эксплуатационной разведки производится уточнение схем подготовки и отработки тел полезного ископаемого, подсчитываются запасы подготовленных к отработке блоков и запасы, готовые к выемке.

В состав ГРР на этой стадии входят проходка специальных разведочных выемок, бурение скважин, шпуров, опробование различными методами, геофизические исследования.

Для обеспечения рационального использования недр постоянно ведется учет потерь и разубоживания полезного ископаемого, достоверность учета полноты и качества извлечения полезных ископаемых из недр подлежит проверке со стороны органов государственного геологического контроля и государственного горного надзора.

2.2 Открытие горнодобывающего предприятия и этап строительства

Проектирование любого горнодобывающего предприятия осуществляется на основании результатов ранее проведенных инженерных изысканий.

После завершения разработки, согласования и утверждения технического проекта разработки месторождения, оформления земельных участков под строительство и пр. начинается период строительства. Данный период можно условно поделить на два этапа - подготовительный и основной.

На подготовительном этапе строительства выполняются работы по инженерной подготовке территории, обеспечению ее подъездными путями, энерго- и водоснабжению, строительству временных и постоянных зданий и сооружений, используемых на период строительства и др.

В период основного строительства выполняется комплекс горно-капитальных работ, обеспечивающих вскрытие и подготовку к разработке месторождения или его части. Также на этапе основного строительства возводятся промышленные здания, обогатительные сооружения и др., строятся очистные сооружения, сооружаются склады для готовой продукции.

Одной из особенностей технологии разработки угольных и рудных месторождений является то, что выполнение горно-капитальных работ не ограничивается периодом основного строительства. На этапе эксплуатации выполнение горно-капитальных работ связано с вовлечением в разработку новых горизонтов, пластов, блоков.

В целом ход строительства определяется его организационной схемой, зависящей от схемы вскрытия месторождения, объемно-планировочных, конструктивных и компоновочных решений зданий и сооружений поверхности.

Основными объектами, связанными с добычей угля и руды, являются горная выработка и породные отвалы. Для жизнеобеспечения основных производственных объектов на предприятии создаются вспомогательные объекты. К вспомогательным объектам можно отнести системы водоотлива и дегазации, склады готовой продукции, очистные сооружения, линейные объекты, погрузочно-разгрузочные пункты и т.д.

2.3 Горнодобывающие и обогатительные технологические процессы и методы

При разработке месторождений производится вскрытие продуктивных пластов, выемка полезного ископаемого и транспортировка его к местам дальнейшей переработки или полезного использования.

2.3.1 Добыча и транспортировка

В зависимости от условий залегания угольных и рудных месторождений и мощности залежей их разработку осуществляют открытым (разрезы или карьеры), подземным (рудники или шахты) или комбинированным открыто-подземным способами. В настоящее время открытым способом добывается около 90% бурых углей, 20% каменных углей, 70% руд черных и цветных металлов.

Выбор способа добычи полезного ископаемого - открытого или подземного - определяется горно-геологическими условиями залегания полезных ископаемых и обосновывается технико-экономическими расчетами.

В случае если угольное или рудное месторождение достигает поверхности современного рельефа или залегает неглубоко, применяется открытая разработка. При открытом способе отработки месторождения добыча производится из недр с использованием открытых горных выработок, которые примыкают непосредственно к земной поверхности и имеют незамкнутый контур поперечного сечения (в отличие от подземных горных выработок).

Самый крупный в России Бородинский угольный разрез расположен в Красноярском крае, входит в состав компании СУЭК. Длина разреза составляет 7 км, ширина - 2 км.

В Челябинской области находится самый глубокий в Европе и второй в мире Коркинский угольный разрез, сейчас его глубина достигает 500 м и продолжает увеличиваться (проектная глубина - 610 м), диаметр воронки разреза - 1,5 км. Максимальная ширина карьера Лебединского ГОКа, одного из крупнейших российских производителей железорудного сырья, составляет 5 км, глубина - 600 м.

Подземный способ отработки запасов применяется в случае залегания угольных или рудных пластов на значительной глубине. Например, большинство крупных предприятий Сибири и Дальнего Востока ведут угледобычу и добычу руд на глубинах свыше 500 м, на месторождениях Норильского региона отработка запасов ведется на глубине до 1,5 км, Горной Шории - в среднем на глубине 900 м.

Преимуществами открытого способа добычи перед подземным являются:

- возможность обеспечения высокого уровня комплексной механизации и автоматизации горных работ, что обеспечивает высокую производительность труда и меньшие затраты на добычу полезного ископаемого;

- более безопасные и комфортные условия труда;

- более полное извлечение полезного ископаемого;

- меньшие удельные капитальные затраты на строительство горного предприятия.

Все это способствует росту масштабов использования открытого способа добычи. Основными препятствиями для его повсеместного применения являются увеличение глубины залегания месторождения от поверхности земли, при которой доступ к полезному ископаемому может быть обеспечен только после удаления большого количества вмещающих пород, а также малая мощность и нарушенность угольных или рудных пластов.

Основными недостатками открытого способа отработки запасов месторождения являются:

- необходимость выемки из карьера (или перемещения в его контуре) значительных объемов вскрышных пород, объем удаляемых вскрышных пород обычно значительно превышает объем добываемого полезного ископаемого (коэффициент вскрыши может достигать 25), затраты на их вскрышу составляют основную часть общих затрат на добычу полезного ископаемого;

- необходимость соблюдения определенной последовательности отработки слоев (выемка нижележащего слоя горных пород можно начинать только с некоторым отставанием во времени от начала выемки вышележащего слоя);

- необходимость временного отчуждения значительных площадей земли, существенное изменение ландшафта;

- существенное изменение гидрологической ситуации в районе ведения добычных работ.

Кроме того, в карьерах значительной глубины создаются трудности в удалении газов и пыли после взрывных работ, что ухудшает санитарно-гигиенические условия труда горнорабочих и загрязняет окружающую среду. Существующие инженерные методы газо- и пылеподавления при производстве массовых взрывов на карьерах пока отличаются малой эффективностью. Определенное влияние на эффективность открытой разработки оказывают климатические и атмосферные условия.

Следует указать, что отмеченные достоинства открытого способа разработки во многих случаях преобладают над недостатками, что определяет его эффективность.

Подземным способом разрабатывают месторождения на глубинах до 3 - 4 км. Большая толща пород, покрывающих месторождения, сложный рельеф поверхности, особые климатические условия - основные факторы, которые являются решающими при выборе подземного способа разработки. Объемы перемещаемых пустых пород незначительны по сравнению с открытым способом отработки запасов, что требует меньших площадей для их размещения. Во многих случаях подземная разработка позволяет полностью сохранить поверхность.

Комбинированный способ применяют при разработке, как правило, мощных крутых глубоко залегающих месторождений, перекрытых сравнительно небольшой толщей наносов.

Открытая разработка месторождения включает следующие этапы: подготовку поверхности, осушение месторождений полезных ископаемых, горно-капитальные работы (комплекс горно-строительных работ, обеспечивающих вскрытие и подготовку к разработке месторождения), вскрышные работы (удаление пустых пород, покрывающих или вмещающих полезное ископаемое, с обеспечением их размещения) и добычные работы. Вскрышные и добычные работы включают процессы отбойки, выемки, транспортировки и разгрузки и складирования вскрыши и полезного ископаемого. Эти основные производственные процессы объединяются в единую технологию на базе комплексной механизации и автоматизации. К вспомогательным процессам при открытой разработке относятся зачистка уступов, ремонт и строительство дорог (автомобильных, железных), водоотлив и др. Отбойка состоит в отделении горной массы от массива с одновременным ее дроблением с помощью буровзрывных работ. Выемка-погрузка производится, как правило, экскаваторами и погрузчиками. Горную массу перемещают из забоя посредством карьерного транспорта. Массив, сложенный некрепкими горными породами, не требует предварительного рыхления. В этом случае отбойка и погрузка составляют единый процесс, осуществляемый экскаваторами, скреперами, погрузчиками, бульдозерами или другими механическими средствами.

Полезные ископаемые транспортируются на склады или места их переработки, пустая порода - во внутренние или на внешние отвалы.

В процессе подземной разработки месторождений выделяются 3 стадии: вскрытие, подготовка и очистная выемка.

Основные горные выработки при подземной разработке месторождений:

- шахтные стволы и штольни, открывающие доступ с поверхности ко всему месторождению или его части и обеспечивающие возможность проведения подготовительных выработок и очистной выемки в запланированных объемах;

- штреки, уклоны, бремсберги, восстающие, орты, которыми вскрытая часть месторождения разделяется на обособленные выемочные участки (этажи, блоки, панели, камеры, столбы), предусмотренные принятым способом подготовки и системой разработки;

- подэтажные и слоевые выработки, выработки буровые, погрузочно-доставочные, подсечки, вентиляционные, отрезные восстающие, лавы и другие забойные выработки, обеспечивающие выемку полезных ископаемых.

Основные технологические этапы подземной разработки вскрытого месторождения полезных ископаемых или его части: предварительное воздействие на горный массив и дегазация (для углей), подготовка горных пород к выемке (подготовка шахтного поля), отделение горных пород от массива и выдача их на транспортные выработки, селективное транспортирование горной массы (полезного ископаемого и пустой породы) на поверхность с размещением пустых пород в выработанном пространстве или в отвалах.

При подземной разработке имеет место риск разрушения горных выработок, потери устойчивости целиков, трудности в обеспечении безопасности горных работ. Повышение качества добываемого сырья, полноты извлечения его из недр, экологичности и безопасности горных работ, особенно на больших глубинах, достигается за счет контроля и управления геодинамическими явлениями в горных массивах для обеспечения устойчивости горных выработок при проходческих и добычных работах. Возможно применение технологий с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями, в том числе с использованием сухой породы. Однако высокая себестоимость этой технологии не позволяет широко использовать ее при разработке полезных ископаемых даже средней ценности.

Как при подземном, так и при открытом способе разработки месторождений производится его осушение. С этой целью с территорий, намечаемых к разработке месторождений или их участков, переносятся поверхностные водоемы и водотоки, выполняются мероприятия по защите горных выработок от обводнения их подземными водами. Основным способом осушения зоны горных работ является водопонижение путем проведения различных горных выработок, откачки или отвода самотеком, а затем сброс значительных объемов подземных вод в гидрографическую сеть за пределы разрабатываемого участка.

Транспортировка полезного ископаемого и породы на поверхность шахты осуществляется ленточными конвейерами, рельсовым транспортом, скиповыми подъемниками. Перемещение минерального сырья к местам обогащения или готовой товарной продукции к местам реализации, а также вскрышной и вмещающей породы на объекты размещения отходов - конвейерным, железнодорожным или большегрузным автомобильным транспортом.

Основными требованиями к охране недр и их рациональному использованию является наиболее полное извлечение из недр и комплексное использование запасов полезных ископаемых и сопутствующих ценных компонентов. Разработка месторождения в обязательном порядке производится с условием отработки балансовых запасов в полном объеме. Горнодобывающая деятельность предприятия прекращается только после полной отработки балансовых запасов, при отсутствии перспектив их прироста (прирезки) и нецелесообразности вовлечения забалансовых запасов. Устойчивое развитие горнодобывающей промышленности России, обусловленное рыночной конъюнктурой спроса на минерально-сырьевые ресурсы и ужесточением требований к рациональному природопользованию при добыче и переработке полезных ископаемых, возможно на основе использования передовых технологий, постоянной оптимизации производства и переоценки запасов.

2.3.2 Основные процессы обогащения

Обогащение полезных ископаемых включает ряд последовательных операций, в результате которых достигается отделение полезных компонентов от пустой породы. По своему назначению процессы переработки полезных ископаемых разделяют на подготовительные, основные (обогатительные) и вспомогательные (заключительные).

Применение водно-шламовых технологий обогащения предусматривает эксплуатацию гидроотвалов и шламовых отстойников.

Рисунок 2.3-1 - Этапы переработки полезных ископаемых

2.3.2.1 Подготовительные процессы обогащения

Основной задачей подготовительных процессов является подготовка руды, угля к обогащению. Эта подготовка включает, прежде всего, операции уменьшения размера кусков - дробление и измельчение, и связанные с ними классификацию сырья по крупности методами грохочения и классификации. Конечная крупность измельчения определяется крупностью зерен минералов, которые должны быть максимально раскрыты и свободны от сростков с минералами вмещающих пород, и видом основного обогатительного процесса. Процессы и методы обогащения полезных ископаемых основаны на технологических свойствах входящих в них минералов. К ним относятся плотность, механические свойства (твердость и упругость), магнитные и электрические свойства, радиоактивность, физико-химические, химические и термохимические свойства.

Большая часть процессов обогащения осуществляется в водной среде, и получаемые продукты содержат большое количество воды. Поэтому возникает необходимость в обезвоживании получаемых концентратов. Процессы обезвоживания, включающие сгущение, фильтрование, дренирование, центрифугирование, грохочение и сушку, относятся к вспомогательным процессам.

При обогащении полезных ископаемых применяются разнообразные технологические схемы, выбор которых определяется, прежде всего, составом минералов, применяемым процессом обогащения и требованиями к технологическим показателям обогащения - к качеству концентратов и извлечению металлов.

Дробление и измельчение выполняют для получения кусков руды, угля требуемых крупности, гранулометрического состава или степени раскрытия минералов, пригодных для последующих процессов обогащения.

Дробление является первым этапом в процессе измельчения.

Условно принято считать, что при дроблении получают частицы крупнее 5 мм, а при измельчении - мельче 5 мм. Размер наиболее крупных зерен, до которого необходимо раздробить или измельчить полезное ископаемое при его подготовке к обогащению, зависит от размера включений основных компонентов, входящих в состав полезного ископаемого, и от технических возможностей оборудования, на котором предполагается проводить следующую операцию переработки раздробленного (измельченного) продукта.

По крупности конечного продукта выделяют крупное (100 - 350 мм), среднее (40 - 100 мм), мелкое дробление (5 - 40 мм).

Дробление проводят на специальных дробильных установках (дробилках). В зависимости от целей дробления и прочности материала дробления применяют дробилки различного типа (щековые, конусные, барабанные, барабанно-молотковые, валковые, зубчатые, молотковые, роторные). Измельчение осуществляется в барабанных мельницах и истирателях.

Раскрытие зерен полезных компонентов - дробление или (и) измельчение сростков до полного освобождения зерен полезного компонента и получения механической смеси зерен полезного компонента и пустой породы (микста). Открытие зерен полезных компонентов - дробление или (и) измельчение сростков до высвобождения части поверхности полезного компонента, что обеспечивает доступ к нему реагента.

Грохочение и классификация применяются с целью разделения полезного ископаемого на продукты разной крупности - классы крупности.

Процесс грохочения реализуют с применением специальных машин - грохотов.

В горно-перерабатывающей промышленности самыми распространенными грохотами являются вибрационные машины с одной или несколькими прямоугольными просеивающими поверхностями (ситами). Если сит несколько, т.е. грохот многоситный, сита располагаются одно под другим, от крупного к мелкому.

Разделение частиц по крупности размером менее 1 мм осуществляют, как правило, классификацией.

Классификация материала по крупности производится в водной или воздушной среде и базируется на использовании различий в скоростях оседания частичек разной крупности. Большие частички оседают быстрее и концентрируются в нижней части классификатора, мелкие частички оседают медленнее и выносятся из аппарата водным или воздушным потоком.

2.3.2.2 Основные процессы обогащения

В данном разделе представлены наиболее часто применяемые, а также планируемые к применению методы обогащения полезных ископаемых горнодобывающих предприятий России, осуществляемые в единой технологической цепочке с добычей.

Гравитационные методы обогащения - тяжелосредное обогащение в сепараторах, отсадка, обогащение в спиральных сепараторах - являются основными применяемыми методами обогащения угля (АО "СУЭК", ОАО "Русский Уголь", "ЕВРАЗ", ОАО "УК "Кузбассразрезуголь", АО ХК "СДС-Уголь"). Гравитационные процессы отличаются большой скоростью разделения, высокой эффективностью и производительностью, а также дешевизной. Реже при обогащении углей применяется флотационный метод (ОАО "УК "Кузбассразрезуголь", АО ХК "СДС-Уголь").

В основном на крупнейших железорудных предприятиях России исходная руда перерабатывается по технологии стадиального измельчения и мокрой магнитной сепарации (ОАО "Ковдорский ГОК", ОАО "Лебединский ГОК", ОАО "Карельский окатыш"*(30), ОАО "Коршуновский ГОК", ОАО "Михайловский ГОК", ОАО "Евразруда", ОАО "Комбинат КМАруда"). Метод сухой магнитной сепарации при обогащении железорудного сырья применяется на ОАО "Стойленский ГОК". Технология получения рудного концентрата ОАО "Стойленский ГОК" предусматривает последовательную сухую и мокрую магнитную сепарацию.

Переработка на крупнейшем предприятии по добыче и переработке (обогащению) хромитовых руд ОАО "Сарановская шахта "Рудная"*(31) проводится гравитационными методами, в зависимости от фракции обогащение руды осуществляется в тяжелой суспензии (фракция руды крупностью - 4100 мм), на отсадочных машинах (фракция руды крупностью - 14 мм), винтовых сепараторах (фракция 0,4 мм).

Планируемые к реализации схемы обогащения марганцевых окисленных и карбонатных руд (ЗАО "ЧЕК-СУ.ВК) - гравитационное обогащение (отсадкой и путем рентгенорадиометрической сепарации для крупных классов и отсадки для мелких соответственно).

Обогащение алюминиевых руд пока не получило широкого применения. Это объясняется трудностью применения, в частности для бокситов, известных способов обогащения. Например, такие методы обогащения, как флотация и гравитация, к бокситам обычно неприменимы, так как бокситообразующие минералы имеют близкие значения плотности, дисперсный характер и тонкое взаимное прорастание. Тем не менее, не смотря на сложности в достижении эффективности процесса обогащения, нифелиновые руды перерабатываются на предприятиях России с использованием флотационного метода (ОАО "Аппатит"), флотационно-магнитной технологии обогащения (ЗАО "СЗФК"*(32))

Крупнейшие горнодобывающие предприятия по добыче руд цветных металлов (меди, никеля, свинца, молибдена) в России уже имеют или планируют в своем составе обогатительные комплексы, метод флотации является базовым при обогащении, также применяется флото-гравитационная технология обогащения.

Метод извлечения из руды золота и серебра представлен на примере деятельности ОАО "Полиметалл". В составе холдинга эксплуатируются два перерабатывающих предприятия - Омсукчанская фабрика (способ обогащения- флотация/гравитационное обогащение) и ЗИФ Лунное (выщелачивание цианированием/процесс Меррилл - Кроу), связанные технологически и управляемые, как единый производственный объект. Омсукчанская фабрика обогащает руду с рудников Дукат и Гольцовое, а ЗИФ Лунное перерабатывает руду с месторождения Лунное, а также концентрат с Омсукчанской фабрики. На фабрике используется традиционная технология флотации сульфидов. На ЗИФ Лунное используется общепринятая технология выщелачивания цианированием и процесс Меррилл - Кроу для извлечения серебра и золота из раствора.

Лидер добычи платины в России ГМК "Норильский никель" получает концентраты платиновых металлов и чернового серебра в металлургическом цехе производства концентратов драгоценных металлов Медного завода путем переработки шламов Цеха электролиза меди Медного завода и Цеха электролиза никеля Никелевого завода, медного шлама АО "Кольская ГМК". Технология получения платиновых металлов длительная (более месяца) и включает в себя большое число технологических операций. Основные операции - обжиг медно-никелевых анодных шламов, выщелачивание.

Гравитационное обогащение

Технология гравитационного обогащения основана на использовании действия силы тяжести, при которой минералы отделяются от пустой породы за счет разницы их плотности и размера частиц.

Гравитационные методы обогащения осуществляются в водной и воздушной средах, в тяжелых жидкостях и минеральных суспензиях (тяжелых средах) в шлюзах, сепараторах, гидроциклонах, отсадочных машинах, на концентрационных столах и т.п.

Магнитное обогащение

Магнитное обогащение - способ отделения полезных минералов от пустой породы, основанный на действии магнитного поля на минеральные частицы, обладающие различной магнитной восприимчивостью.

В зависимости от величины магнитной восприимчивости материала магнитная сепарация разделяется на слабомагнитную и сильномагнитную, в зависимости от среды, в которой проводится разделение, - на мокрую и сухую.

Магнитная сепарация осуществляется в магнитных сепараторах. В зависимости от физико-химических характеристик разделяемого материала и его крупности используют различные типы магнитных сепараторов (барабанные, валковые, ленточные, дисковые, роторные и др.). Преимущественное распространение для обогащения сильномагнитных материалов получили барабанные сепараторы, для слабомагнитных - валковые и роторные.

Флотационное обогащение

Флотационный метод обогащения - один из методов обогащения полезных ископаемых, который основан на различии способности минералов удерживаться на межфазовой поверхности, обусловленный различием в удельных поверхностных энергиях. Гидрофобные (плохо смачиваемые водой) частицы минералов избирательно закрепляются на границе раздела фаз и отделяются от гидрофильных (хорошо смачиваемых водой) частиц. При флотации пузырьки газа или капли масла прилипают к плохо смачиваемым водой частицам и поднимают их к поверхности.

В зависимости от участвующих в процессе фаз флотация может быть масляной, пенной, на гидрофобной твердой поверхности, на жировой поверхности.

Флотационный процесс осуществляется в обогатительных аппаратах, называемых флотационными машинами.

Электрическое обогащение

При различии в электрических свойствах (электрической проводимости, диэлектрической проницаемости, способности заряжаться при трении) минералы разделяют электрической сепарацией.

Электрическое обогащение (электрическая сепарация) - процесс разделения сухих частиц компонентов ископаемого сырья в электрическом поле по величине или знаку заряда, образованного на частицах в зависимости от их электрических свойств, химического состава, размеров и т.п.

Электрическое обогащение применяют при доводке концентратов редких металлов, алмазных и других, но они могут быть применены и при обогащении углей, марганцевых руд, формовочных песков и пр. Этими методами обогащают только сухие мелкозернистые материалы (с содержанием влаги не более 1% для рудных минералов и не более 4% - 5% для углей).

Специальные методы обогащения

К специальным методам обогащения относятся: ручная сортировка, радиометрические методы обогащения, избирательное разрушение, обогащение по упругости, форме, трению, выщелачивание.

Ручная сортировка может предшествовать процессам дробления и грохочения, проводится для выборки крепи и кусков металла. Ручная сортировка применима в случаях, когда химическое или механическое обогащение не обеспечивает необходимого качества разделения. В целях улучшения рудоразборки при отборке породы применяется специальное освещение: для золотосодержащих руд применяют голубой свет, для свинцово-цинковых руд - кобальтово-синий, для цинковой обманки - буровато-желтый.

Для радиометрического метода обогащения используются разные виды излучений: радиоволновое, инфракрасное, видимый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-излучение.

Методы избирательного разрушения (избирательное дробление, избирательное измельчение, промывка, декрипитация) основаны на различном характере изменения крупности минералов при физическом воздействии на них.

Обогащение по упругости, форме, трению основано на разнице в коэффициентах трения частиц, крупности и форме.

При обогащении руды методом выщелачивания ценные компоненты руды растворяются и отделяются от нерастворимого остатка посредством подходящего