способ комбинированной разработки многолетнемерзлых хвостов обогащения в действующем карьере

Формула изобретения

Способ комбинированной разработки многолетнемерзлых грунтов (например, техногенные месторождения - хвосты от обогащения вкрапленных медно-никелевых руд, пирротиновые концентраты, содержащие цветные и благородные металлы) в глубоком действующем карьере с горизонтами-линзами льда при низких температурах окружающего воздуха на основе теплофизических свойств льда и горных пород, включающий действующий глубокий карьер, майну карьера, сообщающуюся с источником теплоносителя - водой, земснаряд и плавучий гидромонитор, отличающийся тем, что на поверхности горизонта-линзы льда, примыкающего к майне карьера и препятствующего дальнейшей отработки грунта, прокладывают борозды, выполненные с уклоном в сторону майны, подают по ним теплоноситель - воду для оттайки и образования прорезей - щелей в толще горизонта-линзы льда и полостей под нижней поверхностью горизонта-линзы льда, размывают плавучим гидромонитором подстилающий грунт под горизонтом-линзой льда обрамленной прорезями, обрушают горизонт-линзу льда, обрамленную прорезями, и увеличивают поверхность обрушенного льда, поднимают уровень теплоносителя - воды в майне карьера до нижней границы горизонта-линзы льда для интенсивного таяния льда и обнажения подстилающих грунтов, оттаивают и размывают их плавучим гидромонитором, грунт откачивают земснарядом в виде пульпы потребителю.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гидромеханизации, предназначено для разработки техногенных многолетнемерзлых месторождений (например, хвосты от обогащения вкрапленных медно-никелевых руд, пирротиновые концентраты) с горизонтами (линзами) льда в условиях Крайнего Севера и вечной мерзлоты и может быть использовано на предприятиях горнодобывающей промышленности и строительстве при отрицательных температурах.

Для обеспечения высокой производительности при разработке многолетнемерзлых грунтов в частности хвостов обогащения, содержащих цветные и благородные металлы, следует учитывать особенности их строения. К особенностям строения хвостохранилища следует отнести многометровые по мощности (от 1 до 4 м) горизонты (линзы) льда. (Додин Д.А., Изоитко В.М., и др. Техногенные месторождения платинометального сырья Норильского региона. Сб. науч. тр. Платина России. - М., АОЗТ «Геоинформмарк», 1994 г. с.130) и разрабатывать такие хвостохранилища необходимо с учетом теплофизических свойств материала, из которых оно сложено (хвосты, лед). Удельная теплоемкость горных пород 0,2 кал/г_*°С, льда 0,5 кал/г_*°С (Енохович А.С. Справочник по физике и технике. - М.: Просвещение, 1989 г. с.108). В массиве многолетнемерзлых техногенных месторождений (хвосты, концентраты) в условиях Крайнего Севера температура понижается всего до минус 6-9°С, при длительной температуре окружающего воздуха минус 45°С и более (Стехин А.И., Кунилов В.Е, Олешкевич О.И. Техногенные месторождения благородных и цветных металлов. - Цветные металлы. 1995 г. № 6, с.30). При поверхностной оттайке (разработка гидромониторами) при низких температурах практически вся энергия теплоносителя (теплая вода) теряется в окружающее пространство, оттайка материала и льда происходит очень медленно, и как следствие, снижается производительность карьера. Например, при температуре окружающего воздуха минус 25°С и расстоянии гидромонитора 150 м от майны, где установлен земснаряд, температура теплоносителя снижается от 15°С до 0°С, в результате резко снижается количество оттайки хвостов и, как следствие, снижается производительность карьера. Практика разработки многолетнемерзлых хвостов, с уклоном 5°-10° градусов в сторону майны, с горизонтами (линзами) льда при низких температурах окружающего воздуха, показала, что при точечной подаче теплоносителя на поверхность льда или хвостов, таяние происходит только под теплоносителем, в виде щели, с постепенным углублением на всю мощность льда или хвостов до уровня теплоносителя (теплой воды) в майне карьерного поля. На поверхности хвостов или льда щель имеет ширину 10-20 см, а по мере углубления до 2 м постепенно расширяется до 1 м, что объясняется теплоизоляционными свойствами стенок щели и снижением теплопередачи от теплоносителя в окружающее пространство.

Известен способ разработки земснарядами грунта в зимнее время в карьере, соединенном прорезью с водоемом, включающем обозначение забоя в карьере, установку земснаряда в забое, укладку труб в прорезь, закрытие прорези грунтом и разработку грунта в забое при поддержании уровня воды в карьере ниже уровня грунтовых вод, поступление теплой грунтовой воды в карьер путем ее фильтрации сквозь грунт, подачу по системе труб самотеком теплой придонной воды, собранной с площади дна водоема непосредственно в забой (автр. свид. СССР 987045, кл. E02F 3/88, 1983 г.).

Недостатком способа разработки для низких температур являются: поверхность водоема покроется льдом, перемерзание грунта в прорези, заморозку труб уложенных в прорезь, прекращение фильтрации и прекращение поступления теплой грунтовой воды в карьер, низкая производительность из-за возможности разработки оттаявшего грунта только в забое, высокие подготовительные затраты (устройство водоема и поддержание в нем необходимого уровня, устройство прорези, прокладка и поддержание в рабочем состоянии системы труб), отсутствие способа оттайки горизонтов льда. Таким образом, данный способ разработки многолетнемерзлых грунтов приемлем только при плюсовых температурах окружающего воздуха.

Другим известным способом является способ разработки земснарядом мерзлого грунта, включающий разработку карьера в мерзлом грунте, размещение земснаряда в карьере, прокладку борозд или канав на поверхности разрабатываемого массива мерзлого грунта, сообщающихся с источником водоснабжения и карьером и выполненных с уклоном в сторону карьера, подачу по ним самотеком воды в карьер до подъема земснаряда в карьере на рабочую глубину и последующую разработку грунта (Нурок Г.А. Технология и проектирование гидромеханизации горных работ. - М.: Недра, 1965, 114-115, 366-369). Недостатком данного способа являются ограниченная площадь разработки, лимитирующая мощность оттаявшего грунта по контуру карьера, невозможность увеличения производительности разработки мерзлого грунта без применения дополнительных механизмов (бульдозерной техники и использования специальных мероприятий - иглооттаивание приконтурного массива, рыхление энергией взрыва и т.д.), необходимость использования в процессе разработки увеличенного количества теплой воды и применения специальных механизмов и устройств для поддержания майны, из-за увеличивающейся в результате разработки грунта открытой водной поверхности в карьере, отсутствие способов ускоренной оттайки горизонтов или линз льда.

Наиболее близким к предлагаемому способу по совокупности признаков и достигаемому результату, является способ разработки земснарядом мерзлого грунта включающий разработку карьера в мерзлом грунте, размещение земснаряда в карьере, прокладку борозд или канав на поверхности разрабатываемого массива мерзлого грунта, сообщающихся с источником водоснабжения и карьером и выполненных с уклоном в сторону карьера, подачу по ним самотеком воды в карьер до подъема земснаряда в карьере на рабочую глубину и последующую разработку грунта, поднятие уровня воды в карьере для заполнения водой борозд или канав - при снижении плотности откачиваемой пульпы земснарядом, а после оттаивания и размыва мерзлого грунта движением воды по борозде или канаве, понижают уровень воды в карьере для обратной подачи в него гидросмеси оттаявшего грунта из борозд для повышения плотности откачиваемой пульпы (патент RU 2204658 С2). Прототип.

В известном способе эффективность разработки мерзлого грунта зависит от площади борозд или канав вне карьера (поверхность разрабатываемого массива), заполняемых водой при повышении уровня воды в карьере, оттаивания грунта под водой, понижением уровня воды в карьере и самотечную транспортировку грунта в карьер для увеличения плотности пульпы. При достижении больших глубин котлована, где находится земснаряд, и низких температур окружающего воздуха требуется прокладка новых более глубоких канав или борозд и соответственно увеличенного количества воды для их заполнения, температура которой будет снижаться до нулевых значений при низких температурах, что приведет к снижению скорости оттайки грунта и потере производительности карьера. Такой способ отработки карьера можно максимально эффективно использовать при небольших глубинах котлована и плюсовых температурах окружающего воздуха. Следующий недостаток известного способа, при цикличном растеплении грунта в борозде или канаве происходит ее постепенное углубление до горизонта (или линзы) льда, скорость растепления которого в 2-2,5 раза ниже, чем грунта, происходит резкое снижение плотности пульпы в борозде или канаве при понижении уровня воды в карьере для обратной подачи гидросмеси.

Задачей изобретения является повышение эффективности разработки многолетнемерзлого материала техногенного месторождениях в действующем карьере, на больших глубинах с горизонтами (линзами) льда, путем ускоренного растепления льда прилегающего к котловану и, как следствие, увеличение производительности карьера. Рыхление горизонта (линзы) льда на всю мощность зубом бульдозера нерационально из-за очень низкой производительности, так как отсутствует надежное сцепление траков бульдозера со льдом. Для решения поставленной задачи в способе комбинированной разработки многолетнемерзлого материала хвостохранилища с донным и боковым расположением горизонта (линзы) льда при отрицательных температурах окружающего воздуха, в действующем карьере на глубоком горизонте, в майне которого размещен земснаряд и плавучий гидромонитор с подвижным соплом, выполненным на базе земснаряда. Размер майны (ширина, длина, глубина) выбран в предельно минимальном варианте с целью уменьшения потерь тепла теплоносителя (теплая вода) в окружающее пространство при низких температурах и достаточном только для разворота на месте земснаряда и плавучего гидромонитора. При отработке растепленного материала идет постепенное углубление земснаряда и плавучего гидромонитора до встречи с горизонтом (линзой) льда и горизонт (линза) льда протаивается теплоносителем на всю мощность с таким расчетом, чтобы понизить уровень теплоносителя (воды) в майне карьера ниже горизонта (линзы) льда.

На верхней горизонтальной поверхности горизонта (линзы) льда ножом бульдозера прокладывается три сообщающиеся борозды глубиной 20-30 см с уклоном в сторону майны карьера. Первая и вторая в начале и конце майны, перпендикулярно границе горизонта (линзы) льда длиной 10-15 м, третья параллельно границе горизонта (линзы) льда соединяется с первой и второй бороздами, и осуществляют подачу теплоносителя (воды) в середину третьей борозды, по который уже самотеком теплоноситель (вода) движется по бороздам в сторону майны карьера. В результате взаимодействия теплоносителя со льдом или материалом образуется постепенно углубляющаеся прорезь в горизонте (линзе) льда или мерзлом материале хвостохранилища. В данном варианте стенки узкой щели во льду работают как теплоизолятор, теплоноситель ограниченно контактирует с холодным воздухом и максимально отдает тепло на растепление льда или материала с минимальными потерями в окружающее пространство. По мере углубления щели теплоноситель (теплая вода) все с большей скоростью растепляет лед, после контакта с многолетнемерзлыми хвостами производит их оттаивание и транспортировка в майну карьера. В майне карьера понижается уровень теплоносителя (воды) до нижней кромки горизонта (линзы) льда и плавучий гидромонитор производит размыв хвостов под горизонтом (линзой) льда обрамленной прорезями, так чтобы теплоноситель (вода), проходящий по прорезям, растеплял хвосты под горизонтом (линзой) льда. Скорость оттайки хвостов больше, чем скорость оттайки льда в 2-2,5 раза, и под нижней поверхностью ледяного горизонта (линзы) образуется закрытая полость от окружающего холодного воздуха. Теплоноситель (вода) с максимальной эффективностью передает тепло на оттайку льда в верхней части полости и оттайку хвостов под горизонтом (линзой) льда. По мере оттайки мерзлых хвостов под линзой льда и самого льда происходит обрушение льда под собственной тяжестью, происходит опять контакт с теплоносителем (водой), и так пока горизонт (линза) льда, обрамленный прорезями оттает и вскроются хвосты, находящиеся под ледяным горизонтом или линзой. Таким образом, ускоряется процесс вскрытия хвостов из-под горизонта (линз) льда, их оттайка и отработка, что в совокупности с другими существенными признаками повышает производительность карьера при низких температурах окружающего воздуха. Горизонты (линзы) льда в хвостохранилище характеризуются пониженной прочностью, так как содержат (по массе) до 10% примесей мелкоизмельченных хвостов.

Данный способ ускоренной щелевой оттайки при низких температурах применяется и для разработки хвостов без включений горизонтов (линз) льда.

На рис.1 показана схема хвостохранилища в плане, на рис.2 - разрез А-А, на рис.3 - разрез В образующейся полости.

Схема включает массив хвостохранилища 1 многолетнемерзлых хвостов, карьер 2 с майной, плавучий гидромонитор 3 с подвижным соплом, земснаряд 4 с всасывающим трубопроводом и фрезой рыхлителем 5, борозды (щели) 6, 7, 8, трубопровод 9 для подачи теплоносителя (вода), напорный пульпопровод 10 для откачки пульпы земснарядом 4, горизонт льда 11, линза льда 12, часть горизонта (линзы) льда, обрамленная прорезями 13, образующаяся полость 14, задвижки для переключения и регулирования подачи теплоносителя (воды) 15 и 16, майна карьера 17.

Способ осуществляют следующим способом.

В действующем глубоком карьере 2 хвостохранилища 1, работает земснаряд 4 и плавучий гидромонитор 3, от земснаряда пульпа по напорному пульпопроводу 10 направляется потребителю. Карьер работает при низких температурах окружающего воздуха. На поверхности карьера, после оттайки и отработки хвостов, открылся горизонт льда 11, который препятствует дальнейшей отработки хвостов под горизонтом льда. Горизонт льда постепенно протаивается до нижней кромки льда в майне карьера теплоносителем (водой), который подается в майну 17 карьера по напорному водоводу 9, при открытой задвижке 15 и закрытой задвижке 16. На верхней поверхности горизонта (линзы) льда 11 зубом бульдозера прокладываются три сообщающиеся борозды 6, 7, 8 глубиной 20-30 см. Борозды 6, 8 прокладываются в начале и конце майны 17 карьера, перпендикулярно границе льда, примыкающего к майне, борозда 7 - параллельно границе горизонта льда. Борозды 6, 8 проложены с уклоном в сторону майны 17 для обеспечения движения теплоносителя (воды) самотеком в майну карьера. Теплоноситель (вода) по напорному водоводу 9, при открытой задвижке 16 и прикрытой 15, подается в середину борозды 7 и самотеком растекается по бороздам 6, 8 и постепенно оттаивает (прорезает) во льду щели на всю мощность горизонта (линзы) льда до подстилающих замороженных хвостов. На поверхности льда щели (прорезь) имеет ширину 10-20 см, по мере углубления прорези расширяются до 1 метра, например, при мощности горизонта (линзы) льда - около 2 метров. Ледяные стенки прорезей служат теплоизолятором, и энергия теплоносителя максимально расходуется на расширение и углубление прорезей. Количество теплоносителя (воды) регулируется с таким расчетом, чтобы визуально наблюдалось углубление прорезей на всю мощность горизонта (линзы) льда до подстилающих хвостов. Скорость оттайки промороженных подстилающих хвостов в 2-2,5 раза выше, чем льда, и под горизонтом (линзой) льда образуется полость 14. Уменьшая количество откачиваемого теплоносителя (пульпы) земснарядом, поднимают уровень теплоносителя в майне 17 карьера до кромки льда, и теплоноситель (вода) заполняет образовавшуюся полость 14 под горизонтом (линзой) льда 13, происходит интенсивное таяние нижней поверхности горизонта (линзы) льда 13, обрамленной прорезями 6, 7, 8, без контакта с холодным окружающим воздухом. Плавучий гидромонитор 3 с помощью всасывающей трубы осуществляет забор теплоносителя (пульпа) из майны 17 и насосом, через подвижное сопло, производит размыв и оттайку подстилающих хвостов под горизонтом (линзой) льда, обрамленной прорезями 6, 7, 8, увеличивая полость 14. По мере оттайки горизонта льда, обрамленного прорезями, происходит его разлом под собственной тяжестью, увеличивается его поверхность, лед контактирует с теплоносителем и происходит его интенсивное таяние. Подстилающие хвосты освобождаются от горизонта льда, обрамленного прорезями 6, 7, 8, хвосты оттаивают и земснаряд отрабатывает их.

Пример, осуществления способа разработки комбинированной разработки земснарядом многолетнемерзлых хвостов от обогащения вкрапленных медно-никелевых руд при низких температурах окружающего воздуха.

Карьер для отработки хвостов действует в условиях Крайнего Севера, при температуре окружающего воздуха минус 25°С. На борта карьера для размыва хвостов подается теплоноситель (вода) с температурой 25°С в объеме 620 м³/час. Производительность карьера по пульпе составляет 660 м³/час при плотности 15% твердого или около 110 т/час. На глубине карьера 15 метров в толще массива мерзлых хвостов встречен горизонт льда мощностью 1,0-1,2 м. В связи с более высокими значениями теплофизических свойств льда его оттайка происходит за более протяженный промежуток времени (до трех суток), в результате объем поступающих в карьер хвостов уменьшается и снижается плотность пульпы откачиваемой земснарядом до 9-10% твердого при той же производительности по пульпе, и как следствие, производительность карьера снижается до 60-70 т/час. В соответствии с предлагаемым техническим решением на поверхности горизонта льда, примыкающей к майне карьера, зубом бульдозера прокладываются три сообщающиеся борозды глубиной 20-30 см. Две борозды длиной 15-20 метров прокладываются в начале и конце майны, перпендикулярно границе льда, примыкающего к майне, и небольшим уклоном в сторону майны, третья борозда длиной 30-40 метров параллельна границе льда и соединяется с первой и второй бороздами. В середину третьей борозды подают теплоноситель в количестве 150-200 м³/час, который самотеком движется по бороздам в майну и прорезает (оттаивает) в горизонте льда под бороздами щель. Щель на поверхности горизонта льда имеет ширину 10-20 см, по мере углубления она расширяется до 0,5 м, так как стенки щели во льду являются теплоизолятором и теплоноситель эффективнее передает тепловую энергию на оттайку льда (создание прорези) и по мере заглубления щели снижается теплопередача энергии теплоносителя в холодное окружающее пространство. Скорость оттайки промороженных подстилающих хвостов в 2-2,5 раза выше, чем льда, и под горизонтом льда, обрамленного прорезями, образуется полость, которая не контактирует с холодным окружающим пространством, и тепловая энергия теплоносителя максимально расходуется на растепление льда. Уменьшая количество откачиваемого теплоносителя (в виде пульпы) земснарядом, поднимают уровень теплоносителя в майне карьера, и теплоноситель заполняет образовавшуюся полость под горизонтом льда обрамленной прорезями, происходит интенсивное таяние нижней поверхности горизонта льда обрамленного прорезями. Теплоноситель напрямую контактирует со льдом, и еще более снижаются потери тепловой энергии теплоносителя. Плавучий гидромонитор струей теплоносителя (давление 0,6 МПа) производит оттайку и размыв подстилающих хвостов под горизонтом льда обрамленной прорезями, постепенно увеличивая полость подо льдом, и происходит разлом и обрушение льда под собственной тяжестью. Обрушенный лед многократно увеличивает свою поверхность, контактирует с теплоносителем и интенсивно тает, в результате обнажаются подо льдом подстилающие хвосты, плавучий гидромонитор струей теплоносителя оттаивает и размывает хвосты, земснаряд откачивает их потребителю. В результате сокращается время оттайки горизонта льда обрамленного прорезями, увеличивается плотность пульпы откачиваемой земснарядом до 20%, одновременно производительность карьера на участке залегания ледяного горизонта льда увеличивается до 150 т/час.

В предлагаемом способе горизонт льда обрамленный прорезями оттаивает теплоносителем с нижней поверхности льда, без контакта с холодным окружающим воздухом, имеющим температуру минус 25°С, в результате в два раза сокращается время вскрытия из подо льда подстилающих хвостов и одновременно в 2 раза снижается удельный расход теплоносителя на 1 тонну хвостов, отправленных потребителю.

Предлагаемый способ комбинированной разработки многолетнемерзлого материала хвостохранилища (хвосты от обогащения нормально вкрапленных руд) апробирован в условиях Крайнего Севера с самой низкой температурой окружающего воздуха минус 40°С и применяется также для оттайки и отработки самих хвостов.

Применение указанного способа позволило увеличить производительность карьера, снизить затраты на теплоноситель и соответственно повысить эффективность разработки многолетнемерзлых хвостов при низких температурах окружающего воздуха.