Эффективная технология освоения Чинейского месторождения ванадийсодержащих титаномагнетитовых руд

Природные ресурсы Забайкалья служат надежной сырьевой базой для горноперерабатывающих отраслей промышленности России.

     В настоящее время здесь на площади около 430 тыс. км2 выявлено 1062 разнообразных по масштабам оруденения и формационной принадлежности месторождения черных, цветных, редких и благородных металлов, урана, плавикового шпата,каменного и бурого угля, магнезитов,цеолитов и других полезных ископаемых. Причем 70 из них – это крупные месторождения, в том числе 10 – весьма крупные и уникальные.
   Современное экономическое положение в стране диктует необходимость извлекать только те элементы, которые будут пользоваться спросом на рынке. К таким элементам, в частности, относятся ванадий и титан, крайне необходимые для производства высококачественных сталей и сплавов. Так, ванадий в качестве добавки используется для изготовления дефицитных высокопрочных рельсов. Единственным поставщиком ванадийсодержащего сырья в России на данный момент является Качканарский ГОК.
   Предусматриваемое в регионе освоение в ближайшее время Чинейского месторождения ванадийсодержащих титаномагнетитовых руд (участка Магнитный), находящегося на севере Читинской области, во многом будет способствовать решению весьма актуальной задачи – покрытия дефицита этого сырья в стране. Содержание и запасы данных компонентов в рудах выводят данное месторождение в разряд уникальных. По запасам ванадия оно является самым крупным месторождением мира, при этом около 75 % запасов могут быть отработаны открытым способом.Чинейское месторождение занимает часть Чинейского рудного поля, находящегося в южной зоне Кодаро-Удоканского прогиба.
   Участок «Магнитный» месторождения является юго-восточной частью Чинейского габбро-норит-анортозитового интрузива.Вмещающие породы Чинейского месторождения представлены доломитами, известняками, песчаниками, ороговикованными и скарнированными алевролитами. Руды по составу комплексные – ванадийсодержащие титаномагнетитовые с ильменитом и незначительной вкрапленностью сульфидных минералов. Попутные рудные элементы представлены цветными (Cu, Ni, Co) и благородными (Pt, Pd, Au, Ag) металлами. Содержание меди достигает 0.4 мас.%, никеля – 0.078 мас.%, кобальта – 0.028 мас.%, платины – 2.7 г/т, палладия – 0.83 г/т, золота – 0.5 г/т, серебра – 2 г/т.
   На месторождении выявлено 16 залежей ванадийсодержащих титаномагнетитовых руд, которые прослеживаются по простиранию до 10 км, по падению до 8 км (при глубине 1,3 км), мощность залежей колеблется от 2 до 21 м.
Следует отметить, что содержание ванадия в чинейских рудах является высоким (таблица) и превышает его в качканарских рудах в 4 раза, что указывает на уникальность руд Чинейского месторождения.
   Объемный вес руды составляет 3.95 т/м3, вмещающих пород – 3,85 т/м3. Коэффициент крепости руд и вмещающих пород по шкале М.М. Протодьяконова – 15 — 16. В настоящее время ОАО «ЗабайкалцветметНИИпроект» выполняет комплекс работ по проектированию Чинейского ГОКа.
   Проектом предусматривается использование традиционной – цикличной технологии ведения открытых горных работ с рыхлением горных пород скважинными зарядами диаметром 270—272 мм; выемкой и погрузкой взорванной горной массы в средства транспорта экскаваторами ЭКГ-8И на руде и ЭКГ-20 на вскрыше;последующей транспортировкой вскрышных пород во внешние отвалы самосамосвалами БелАЗ-75121 грузоподъемностью 120 т и рудной массы на обогатительную фабрику автосамосвалами БелАЗ-75214 грузоподъемностью 180 т.
   Проектные параметры карьера таковы: глубина – 570 м, размеры по поверхности – 2,8—2,2 км; годовая производительность карьера по горной массе – 40.6 млн. м3, по вскрыше – 36 млн м3, по руде – 18 млн т; годовое понижение горных работ – 13,3 м;срок отработки месторождения – 43,1 года. Исключая затраты на строительство железнодорожной ветки, которая финансируется МПС РФ, общие затраты на строительство Чинейского ГОКа ориентировочно определяются в 600 млн долл. США, затраты на 1 т руды – 41,5 долл. США; рентабельность (к капитальным вложениям) – 12,8 %, а срок окупаемости – 10 лет.
   В ближайшие годы предусматривается введение в эксплуатацию карьера первой очереди; завершается строительство 70-километровой железнодорожной ветки от ст. Новая Чара до месторождения и обустройство притрассовой автомобильной дороги. Однако традиционная технология разработки месторождения в условиях легкоранимой окружающей среды не обеспечит его эффективного освоения как в экономическом, так и в экологическом и социальном отношениях в особенности. Эффективность освоения данного месторождения в современных рыночных условиях предопределяется прежде всего применением прогрессивной технологии, рациональных организационно-технологических режимов; параметров добычи и переработки многочисленных типов и сортов его руд.
   В ИГД ДВО РАН были поставлены и выполнены в определенном объеме теоретические и экспериментальные исследования, а также укрупненные инженерные и технико-экономические обоснования по созданию прогрессивной технологии ведения открытых горных работ. В основу данной технологии положен новый способ разрушения крепких горных пород взрывом, при котором в качестве важнейшего элемента предусмотрено использование специального мобильного укрытия с демпфирующим щитом. Следует отметить, что подготовка скальных горных пород к выемке и в ближайшей перспективе будет осуществляться преимущественно с использованием энергии взрыва. Однако применяемые в настоящее время технологии и методы ведения буровзрывных работ, с применением главным образом вертикальных скважинных зарядов большого диаметра, позволяет повысить степень дробления горных пород в основном за счет значительного увеличения удельного расхода ВВ и только до определенного предела.
   Дальнейшее его повышение связано с быстрым ростом затрат на буровзрывные работы, вызванным прежде всего увеличением стоимости ВВ и социально-экологических последствий. Широко применяемая в настоящее время технология ведения работ с массовыми взрывами оказывает прямо негативное воздействие на ритмичность работы карьера и окружающую среду и приводит к значительным эксплуатационным затратам,многосменным простоям карьеров и оборудования, достигающим на крупных предприятиях свыше 500 ч в год. При этом наносится огромный вред окружающей среде из-за выбросов вредных веществ, распространяющихся на десятки километров.
Как показывают выполненные исследования, эти недостатки можно устранить, если взрывание прочных горных пород осуществлять горизонтальными скважинами небольшого диаметра (70— 180 мм) под мобильным укрытием слоями сверху вниз,что позволяет в первую очередь исключить разлет кусков взорванной горной массы. Демпфирующий щит мобильного укрытия может быть снабжен гибкими емкостями с жидкостью, поглощающими основную часть энергии взрыва скважин первого слоя.
   Численные исследования процессов взаимодействия взорванной горной массы и демпфирующих элементов щита показали, что демпфирующими элементами может быть поглощено до 90 % энергии взрывного  импульса, воздействующего на щит при взрывании верхнего слоя пород.
   Для нижележащих слоев взорванный верхний слой является пригрузкой, исключающей разброс горной массы, а раздробленный слой горных пород в 8 — 9 раз снижает энергию проходящего через него взрывного импульса, поэтому щит работает в качестве демпфера главным образом при взрывании верхнего слоя пород, что позволяет уменьшить его массу и высоту подброса до приемлемых величин. При массе каждого заряда верхнего слоя в 7-15 кг демпфирующим щитом массой 16-35 т исключается разлет горной массы верхнего взрываемого слоя объемом 150—300 м3.
   Расположенный под мобильным укрытием блок горной породы перед взрыванием может отделяться от остального массива методом предварительного щелеобразования. Предлагаемая технология предусматривает использование самоходных буровых и зарядных агрегатов,применяемых в настоящее время на подземных работах при проходке горизонтальных выработок.
   Следует отметить, что с появлением гидроударников линейная скорость бурения возросла в 2—3 раза (по сравнению с пневмоударниками), и их производительность по обуренной горной массе вполне сопоставима с шарошечными станками.Возможна разработка, изготовление и широкое промышленное использование самоходных агрегатов,объединяющих все операции по бурению, зарядке и укрытию взрываемого участка массива.
   Послойное разрушение горных пород горизонтальными скважинными зарядами под мобильным укрытием позволяет коренным образом изменить не только отдельные процессы, но и технологию открытой разработки в целом. Одним из важнейших преимуществ предлагаемой технологии является существенное снижение ширины рабочей площадки и нарушений массива в глубину, а также повышение степени дробления пород взрывом.
   В условиях Чинейского месторождения при использовании демпфирующего щита мобильного укрытия шириной 10 м ширина рабочих площадок сокращается (по сравнению с проектной технологией) с 60 до 28 м, за счет этого угол откоса рабочего борта карьера может быть увеличен на 8—9, а усредненный эксплуатационный коэффициент вскрыши снижен на 0,4—0,5 м3/т, на 19—21 % уменьшаются годовые объемы выемки и транспортирования вскрышных пород.
   Предварительное щелеобразование сокращает объем бурения горизонтальных взрывных скважин (вместо перебура в 1,5—3 м целесообразен недобур до контурной щели (около 20 диаметров заряда); предотвращает нарушение массива на глубину, за счет чего можно дополнительно повысить угол откоса рабочих бортов карьера. При этом сохраняются все преимущества МКЗВ и добавляются преимущества взрывания в зажиме: повышается качество дробления горных пород как за счет увеличения продолжительности взрывного импульса запиранием забойки демпфирующим щитом (что вдвое повышает энергию на дробление и уменьшает размер среднего куска на 60—80 %), так и за счет дополнительной энергии волны напряжений, отраженной от контурных щелей; сохраняется первоначальная геологическая структура массива за счет минимальной подвижки массива под укрытием, что позволяет осуществить глубокую дифференциацию взорванного массива на полезное ископаемое и пустую породу на стадиях выемки и формирования грузопотоков; резко повышается полнота и качество их извлечения.
Локальные взрывы блоков небольшого объема (1—2 тыс. м3) производят по мере надобности для каждого экскаватора без остановки работы карьера, что обеспечивает возможность осуществления погрузки горной массы в забоях на конвейер. Благодаря этому становится реальным переход от циклично-поточной технологии
к поточной, поскольку взрывание скважин уменьшенного (до 70 — 150 мм) диаметра обеспечивает размер кондиционного куска в 200 — 300 мм, что соответствует требованиям поточной технологии выемки скальных горных пород. Кроме того, можно исключить стадию крупного и даже среднего дробления при первичной переработке руд.
Размер взрывного блока соответствует линейным размерам щита. Причем во время подготовки к взрыву укрываемого блока обуриваются следующие взрывные блоки и монтируется взрывная цепь уже обуренных блоков. Предусматривается использование как междурядного, так и междускважинного замедления инициирования взрывания зарядов. С целью решения проблемы повышения управляемости процесса послойного разрушения горных пород под демпфирующим щитом выполняются исследовательские работы по созданию волоконно-оптической системы инициирования скважинных зарядов лазерным импульсом.
   В качестве выемочно-погрузочного оборудования предлагается использование одноковшового экскаватора послойного копания, который в комплексе с данной технологией ведения БВР обеспечит высокую степень селективности выемки.
   Замена автомобильного транспорта конвейерным позволит довести пылегазовый режим атмосферы карьера до санитарных норм и исключить простои карьера, в том числе и из-за смога, что особенно актуально в условиях освоения Чинейского месторождения, характеризующихся низкой температурой и зачастую полным штилем.
Введение конвейерного транспорта в экскаваторные забои позволяет дополнительно сократить ширину рабочей площадки и увеличить угол откоса борта карьера.
   Одна из важнейших и острейших проблем современного горнопромышленного производства – экологическая, а точнее – социально-экологическая. Пылегазовые выбросы массовых взрывов в атмосферу карьера достигают 35 % от общего объема загрязнения. При данной технологии эта проблема может быть решена локализацией очага пылегазового выброса под укрытием за счет существенного поглощения его горной массой.
Ориентировочная стоимость комплекса оборудования для обуривания, зарядки и укрытия взрываемого горизонтальными зарядами массива не превышает стоимости экскаватора ЭКГ-8И.
   Применение данной технологии при освоении Чинейского месторождения позволит (по сравнению с традиционной, проектной) на 19 — 21 % уменьшить годовые объемы выемки и транспортирования вскрышных пород, на 0,4—0,5 м3/т снизится средний коэффициент вскрыши за счет прежде всего уменьшения минимальной ширины рабочей площадки с 60 до 28 м;увеличения угла откоса уступа, повышения полноты выемки полезного компонента; обеспечится сокращение на 24 % капитальных затрат на приобретение комплекса буровзрывного оборудования; снижение себестоимости добычи 1 т руды (с учетом погашения объемов вскрыши) на 23—28 %.

Г.В. Секисов, Е.Б. Шевкун, А.А. Якимов