WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

Алексеев Владимир Сергеевич

Обоснование РАЦИОНАЛЬНОЙ технологии

ФОРМИРОВАНИЯ ПРОДУКТИВНОЙ ЗОНЫ ПРИ

ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКЕ

ТЕХНОГЕННЫХ  РОССЫПЕЙ ПРИАМУРЬЯ

Специальность 25.00.22 Геотехнология

(подземная, открытая и строительная)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Хабаровск – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте горного дела Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИГД ДВО РАН)

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Литвинцев Виктор Семенович

Официальные оппоненты:  Шемякин Станислав Аркадьевич

доктор технических наук, доцент. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тихоокеанский государственный университет, профессор кафедры «Транспортно-технологические системы в строительстве и горном деле», г. Хабаровск

Ермаков Сергей Александрович,

кандидат технических наук, доцент.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения Российской  академии наук, заведующий лабораторией открытых горных работ, г. Якутск

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образо-

вательное учреждение высшего профессиональ-

ного образования Северо-Восточный государст-

венный университет, г. Магадан

Защита диссертации состоится 29.05.2012 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета ДМ 005.009.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте горного дела ДВО РАН по адресу г. Хабаровск, ул. Дзержинского, 54, конференц-зал. Отзывы на автореферат просьба присылать ученому секретарю диссертационного совета на адрес: 680000, г. Хабаровск, ул. Тургенева, 51. Тел./факс (4212) 32-79-27, E-mail: adm@igd.khv.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горного дела ДВО РАН

Автореферат разослан «  » апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент С.И. Корнеева

Общая характеристика работы



Актуальность работы. Проблема добычи золота из россыпных месторождений в Российской Федерации и за ее пределами непосредственно связана с ухудшением минерально-сырьевой базы (снижением среднего содержания золота в песках, усложнением условий эксплуатации россыпных месторождений, вовлечением в отработку трудоемких россыпей глубокого залегания и сложного строения, освоением техногенных россыпных образований), что обуславливает неудовлетворительные технико-экономические показатели добычи золота.

По оценкам специалистов, потенциал ресурсов техногенных россыпей достаточно велик. В золотодобывающих районах скопились значительные объемы золотосодержащего материала отвального комплекса - миллиарды кубических метров галечных, эфельных отвалов, торфов и перебуторов. Средние содержания золота в отвальном комплексе являются в основном кондиционными по современным экономическим требованиям и даже могут быть сопоставимы с содержанием в целиковых россыпях, поэтому они могут быть использованы для повторной отработки.

Несмотря на тот факт, что техногенные россыпные месторождения, представленные преимущественно отвальным комплексом, являются весьма значительным резервом минерально-сырьевой базы благородных металлов, их освоение осложняется тем, что ценные компоненты в массиве находятся в хаотическом, рассеянном состоянии, и их добыча связана со сплошной переработкой всего объема пород, что зачастую является нерентабельным в связи со значительными материальными и финансовыми затратами. Поэтому проблема создания эффективного способа освоения техногенных россыпей с формированием продуктивной зоны песков, т.е. решение проблемы направленной миграции и концентрации золота, а, следовательно, и возобновляемости запасов, носит фундаментальный характер, является весьма актуальной и имеет большое народнохозяйственное значение.

Работа выполнена в соответствии с госбюджетными темами ИГД ДВО РАН 2006-2011 гг.: «Развитие научных основ и способов геотехнологии освоения рудных, россыпных и угольных месторождений» (ГР № 01.2.006 13509), «Разработка научных основ создания высокоэффективных геотехнологий освоения месторождений твердых полезных ископаемых Дальневосточного региона России» (ГР № 012009953152); по конкурсному проекту ДВО РАН (раздел III группа В  – фундаментальные исследования молодых ученых) «Научное и технологическое обоснование структуры горно-подготовительных работ при формировании продуктивного пласта техногенной россыпи» (2009 г.).

Объект исследования: горно-геологические и горнотехнические характеристики и особенности строения техногенных россыпных месторождений Приамурья.

Предмет исследования: влияние природных и технологических процессов на минеральную массу техногенных россыпных месторождений.

Основная идея работы состоит в использовании установленной закономерности процесса  миграции частиц золота воздействием природных факторов для формирования продуктивной зоны техногенных россыпных месторождений.

Целью диссертационной работы является развитие теоретических положений и разработка эффективной технологии освоения техногенных россыпных месторождений на основе формирования их продуктивной зоны.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ современного состояния освоения техногенных россыпных месторождений и их ресурсной базы.

2. Разработать методики экспериментальных работ по исследованию влияния криогенных процессов и воздействия безнапорных потоков воды на эффективность процессов формирования продуктивной зоны техногенной россыпи.

3. Выполнить лабораторные и натурные (в природных условиях)  экспериментальные исследования влияния криогенных процессов и воздействия безнапорных потоков воды (независимо друг от друга и в комплексе) на эффективность процессов формирования продуктивной зоны техногенной россыпи.

4. Обосновать параметры процесса суффозии в выделенных блоках породных отвалов при воздействии безнапорных потоков воды.

5. Разработать математическую модель оптимизации параметров горно-подго-товительных работ для формирования продуктивной зоны техногенных россыпей.

6. Предложить технологию формирования продуктивной зоны техногенных россыпей.

Методы исследований: анализ литературных и патентных источников, теоретические обобщения и оценка технологических решений при разработке россыпей; производственные и лабораторные эксперименты по определению рациональных параметров исследуемых процессов, обработка данных с использованием программ математической статистики.

Защищаемые научные положения:

1. Закономерности влияния криогенных процессов и безнапорных потоков воды  на характер и интенсивность миграции ценных компонентов в техногенных россыпях.

2. Методика оценки суффозионных свойств техногенных россыпных месторождений.

3. Зависимость параметров горно-подготовительных работ и безнапорных потоков технологической воды от характеристик фильтрационных свойств горной массы при формировании эксплуатационных блоков.

Достоверность научных положений обеспечивается использованием современных методов исследований и обработки экспериментальных данных, большим объемом лабораторных и промышленных экспериментальных работ, высокой сходимостью их результатов.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

1. Установлены закономерности миграции ценных компонентов в техногенной горной массе россыпей под воздействием циклов «Проморозки-Протаивания» (П–П) и безнапорных потоков воды.

2. Разработана методика и определены суффозионные свойства техногенной горной массы россыпных месторождений.

3. Разработана математическая модель определения параметров горно-подго-товительных работ при формировании зон концентрации ценных компонентов, на основе которой установлены рациональные размеры эксплуатационных блоков и эффективные значения объемов безнапорных потоков технологической воды в зависимости от вещественного состава горной массы и ее гранулометрии.

4. Обоснован процесс формирования зон концентрации ценных компонентов в зависимости от воздействия криогенных процессов и безнапорных потоков воды в аллювиальной горной массе техногенных россыпей.

5. Научно обоснована ресурсосберегающая технология формирования продуктивной зоны техногенной россыпи.

Практическая значимость работы:

1. Обоснована экономическая и социальная эффективность, экологическая безопасность вовлечения в эксплуатацию важнейшего резерва сырьевой базы россыпной золотодобычи – техногенных россыпных месторождений благородных металлов.

2. Разработан состав и порядок проведения экономичных горно-подготовительных работ для подготовки техногенного россыпного месторождения к освоению.

3. Созданная ресурсосберегающая технология формирования продуктивной зоны техногенной россыпи позволит вовлекать в эксплуатацию техногенные объекты россыпей, ранее являющиеся нерентабельными.

4. Разработка отвальных комплексов природных россыпей существенно улучшит экологическое состояние природной среды.

Личный вклад автора:

- сформулированы цели и задачи исследований, разработаны методики лабораторных и промышленных экспериментальных работ;

- осуществлены лабораторные и промышленные экспериментальные исследования процессов, влияющих на формирование зон концентрации ценных компонентов, выполнен  анализ полученных результатов;

- выявлен характер суффозионности горной массы техногенных россыпных месторождений;

- разработана математическая модель расчёта оптимальных параметров горно-подготовительных работ при формировании продуктивных зон техногенных месторождений;

- научно обоснована технология формирования продуктивной зоны техногенных россыпей.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на  конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Геологические и технологические проблемы рационального освоения месторождений полезных ископаемых» (Хабаровск, 2007 г., 2009 г.), на I молодежной научно-практической конференции по проблемам недропользования, посвященной 45-летию ИГД УрО РАН (Екатеринбург, 2007 г.), на 4 Международной научной школе молодых ученых и специалистов: проблемы освоения недр в 21 веке глазами молодых (Москва, 2007 г.), на  IV Всероссийской научной конференции с участием иностранных ученых (Хабаровск, 2011 г.), на XI краевом конкурсе-конференции молодых ученых (г. Хабаровск, 2009 г.), на XIV краевом конкурсе молодых ученых и аспирантов Хабаровского края (г. Хабаровск, 2012 г.).

Реализация результатов работы. Основные результаты выполненных исследований в лабораторных условиях и  на россыпных месторождениях («ООО Рос-ДВ», Хабаровский край) получили одобрение специалистов предприятия и приняты к внедрению.

Публикации. Основные результаты работы изложены в 12 публикациях, в том числе 4 в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 24 рисунка, 37 таблиц, список использованных источников из 67 наименований и 2 приложения на 12 страницах.

Автор выражает искреннюю благодарность за научное и методическое руководство, квалифицированную помощь доктору технических наук B.C. Литвинцеву, доктору технических наук А.М. Пуляевскому.  Автор благодарен за тесное сотрудничество и помощь сотрудникам лаборатории проблем освоения россыпных месторождений П.П. Сас, Р.С. Серому, К.А. Кянно. Особая признательность и благодарность всем соавторам научных публикаций.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, определены цели и задачи исследований, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дана краткая характеристика минерально-сырьевой базы Дальневосточного региона по золоту.

В Дальневосточном экономическом регионе золотодобыча за весь период разработки месторождений составляет около 8000 т. Разведанные запасы золота в регионе свыше 2000 т, а прогнозные - более 4000 т.

В условиях, когда доля добычи золота из рудных месторождений намного превышает добычу из россыпных, и неуклонно снижаются разведанные запасы россыпной золотодобычи, повышается роль техногенных россыпных образований.





Проблемами разработки геогенных и техногенных месторождений открытым и подводным способами в разные годы занимались известные ученые: Богданов Е.И., Богомяков П.П., Емельянов В.И., Ковлеков И.И., Лешков В.Г., Литвинцев В.С., Макаров В.А., Мамаев Ю.А., Мирзеханов Г.С., Пуляевский А.М., Пятаков В.Г., Секисов Г.В., Травин Ю.А., Шорохов С.М. и др.

За прошедший период, с момента последней прогнозной оценки техногенных россыпей (после 1989 г.), добыча россыпного золота происходила в условиях значительных экономических перемен: переход предприятий к хозяйственной самостоятельности, разукрупнение ранее мощных предприятий и возникновение массы мелких недропользователей, введение системы лицензирования недр, практически полное разрушение геологоразведочных предприятий, обеспечивающих ранее  постоянный прирост запасов на эксплуатируемых объектах и вовлечение новых. В этих условиях интерес к техногенным месторождениям с одной стороны повысился, так как они стали объектом интенсивной эксплуатации вновь организованных малых предприятий и самостоятельных старательских артелей, особенно на участках прежде богатых россыпей, где можно без особых затрат быстро получить результат.

В то же время, интерес к техногенным россыпям, как к крупным самостоятельным объектам добычи, несколько снизился в силу того, что начатая в 80-х годах интенсивная повторная разведка россыпей, позволяющая уточнять прогнозные ресурсы и давать прирост в балансе, практически прекратились. Поэтому прогнозирование техногенных запасов россыпного золота сегодня основывается на показателях отработок и статистике потерь металла прежних лет, а также на сохранившихся местами первичных разведочных данных и результатах эксплуатационного опробования.

Анализ современного состояния проблемы освоения россыпных месторождений, в том числе техногенных, показывает, что в Дальневосточном регионе сформировались определенные условия, при которых стоимость товарной продукции зачастую не окупает всех затрат на её получение или даёт весьма низкий уровень прибыли.

Таким образом, важной научной и технологической задачей является обоснование эффективной эксплуатации техногенных россыпей как резерва сырьевой базы россыпной золотодобычи.

Во второй главе экспериментально и теоретически обосновано первое защищаемое научное положение.

Для более глубокого понимания сути процесса формирования обогащенных зон техногенной россыпи во второй главе рассмотрены известные механизмы концентрации тяжелых минералов в водно-аллювиальной среде. Проанализированы особенности гравитационно-диффузионного, миграционно-остаточного и миграционного механизмов концентрации тяжелых минералов в водно-аллювиальной  среде, уточнены условия, при которых их проявление наиболее вероятно – это соотношение крупности частиц аллювия (dал) и золота (dз), неравенство между максимальным размером частиц вмещающих пород, не приходящих в движение, и размером основной массы пород, приходящих в движение во влекомом состоянии, а также соотношение гидравлической крупности минеральной частицы (Wо) и вертикальной составляющей (Uо) скорости потока. Эти соотношения достаточно точно установлены для условий формирования природных россыпей, но они не соответствуют полностью условиям формирования обогащенной зоны техногенной россыпи, эти особенности предстоит уточнить при анализе результатов выполненных промышленных экспериментальных работ.

Установлено, что закономерности механизма миграции ценных компонентов в процессах формирования обогащенных зон техногенной россыпи определяются промежуточными значениями величин критериев гравитационно-диффузионного и миграционного механизмов концентрации тяжелых минералов. Необходимо использовать положительные качества миграционно-остаточного механизма концентрации полезных компонентов, поскольку горная масса техногенных россыпей является в известной степени узко классифицированной и сортированной (отсутствие крупных фракций). Следует не допустить массовое движение аллювия в технологии формирования пласта, иначе дифференциация минеральных частиц по их гидравлической крупности окажется затрудненной, и ценные компоненты будут участвовать в движении по горизонтали вместе со всей массой аллювия.

При цикличном промерзании и оттаивании дисперсных горных пород происходит перераспределение частиц, при котором наиболее плотные частицы смещаются вниз – мигрируют. Изучением этих процессов занимался ограниченный круг исследователей (Ванцкевич С.Д., Литвинцев В.С., Мамаев Ю.А., Пуляевский А.М., Решетников В.А., Смеян М.Е., Шумилов Ю.В.). Первые экспериментальные и натурные исследования процессов  миграции частиц золота выполнил Ю.В. Шумилов (СВКНИИ ДВО РАН, г. Магадан).

В 2008 году для более детального изучения влияния криогенных и тепловых процессов на миграцию золотин узкого класса крупности проведен лабораторный эксперимент, отличительной особенностью которого было использование в качестве вмещающих пород аллювиальной горной массы, содержащей определенное количество мелкой, пылевидной и глинистой фракций (до 15 %), а также значительное количество мелкого и тонкого золота (-0,1мм).

На рис. 1 показана кривая распределения золота по мощности аллювиальной горной массы после проведения 21 цикла «Проморозки-Протаивания» (П-П). Видно, что золото фракции -0,25 мм мигрировало на всю глубину горной массы, причем дна сосуда достигло 7,1 % этой фракции.

1 – размещение золотин в каждой пробе до эксперимента; 2 – суммарное количество  золота в вертикальном интервале после 21 цикла «П–П»

Рис. 1. Характер распределение золота после 21 цикла «П–П»

В 2009 году проведен лабораторный эксперимент по влиянию криогенных процессов на миграцию золота в аллювиальной горной массе, отличительной особенностью которого от предыдущих экспериментов является то, что в качестве основного влияющего фактора рассматривалось различное количество циклов «П–П» горной массы.

1 – размещение золотин до эксперимента; 2, 3, 4, 5 – суммарное количество  золота, извлеченного из пробы в каждом вертикальном интервале после N циклов «П-П»

Рис. 2. Суммарное количество золота, извлеченного из проб при различном количестве циклов П-П

На рис. 2 показаны графики извлечения золота из проб при различном количестве циклов «П-П». Из рисунка четко видно, что кривая, характеризующая распределение золота по глубине после N циклов «П-П», смещается влево при увеличении N, т.е. чем больше циклов «П-П» вмещающей горной массы, тем золото более полно распределяется по мощности испытуемого образца.

Другим фактором, влияющим на процесс миграции золота в аллювиальной горной массе, являются безнапорные фильтрационные потоки воды. Однако оставалось неизученным, какое влияние на миграцию золота оказывают эти процессы в комплексе с криогенными. Поэтому была поставлена задача: определить качественно-количественные параметры миграции золота при одновременном воздействии на горную массу безнапорных потоков воды и циклов «П-П». Для решения поставленной задачи проведено два эксперимента. В первом эксперименте миграция золота осуществлялась под воздействием только безнапорных потоков воды, во втором - под воздействием безнапорных потоков воды и циклов «П-П».

На основе экспериментальных данных методом регрессионного анализа получены уравнения зависимости содержания золота С от глубины миграции при воздействии на горную массу только безнапорных потоков воды (рис.3, кривая 1) и совместно с циклами П-П (рис.3, кривая 2).

  – координаты экспериментальных данных (эксперимент 1)

  – координаты экспериментальных данных (эксперимент 2)

Рис. 3. Зависимость содержания золота С в зонах концентрации по глубине Н горной массы при воздействии безнапорного потока воды (1) и при дополнительных циклах П–П (2)

Зависимость содержания С1 золота от глубины Н, см при воздействии на горную массу безнапорного потока воды описывается уравнением (kкор=0,920):

С1 = 133,4 · 0,57H, % . (1)

Зависимость содержания С2 золота от глубины Н, см при воздействии на горную массу безнапорного потока воды совместно с двумя циклами «П-П» (kкор=0,998):

С2 = - 0,03 · Н3 + 1,67 · Н2 – 23,51 · Н + 100,27 (2)

Из графика видно, что при комплексном воздействии внешних факторов на горную массу распределение золота по мощности образца породы произошло наиболее эффективно (миграция золота в нижележащие слои возросла от 20 до 64,3 %).

Зависимость содержания С3 золота от длины L, см экспериментального образца при воздействии на горную массу безнапорного потока воды описывается уравнением (kкор=0,981):

С3 = 140,9 · 0,8L, %  (3)

Зависимость содержания С4 золота от длины L, см экспериментального образца при воздействии на горную массу безнапорного потока воды совместно с двумя циклами «Проморозки-Протаивания» (kкор=0,947):

С4 = 133,3 · 0,81L, % (4)

На рис. 4 показано распределение содержания золота по длине породы в емкости, из которого видно, что при комплексном воздействии безнапорных потоков воды и циклов П–П на горную массу преимущественное влияние на миграцию золота в горизонтальной плоскости оказывает только энергия потока воды.

– координаты экспериментальных данных (эксперимент 1)

– координаты экспериментальных данных (эксперимент 2)

Рис. 4. Зависимость содержания золота С в зонах концентрации по протяженности  отвала L при воздействии энергии безнапорного потока воды (кривая 1) и при дополнительном воздействии циклов П–П (кривая 2)

С целью определения количественных характеристик миграции золота в природных условиях в августе 2010 года начат эксперимент на техногенном участке россыпного месторождения руч. Болотистый. В непосредственной близости от ручья был подготовлен шурф, заполненный слоями техногенных аллювиальных пород и хвостами ШОУ отработки месторождения в 1998–2001 гг.

Для определения исходного содержания золота при закладке горной массы в каждом слое  в нескольких местах отбирались и в дальнейшем исследовались пробы объемом 1 л. Среднее исходное содержание золота в исходной горной массе показано на рис. 5. После отбора проб в шурф был запущен поток воды из ручья.

– координаты натурных экспериментальных данных

-------  – среднее исходное содержание золота в горной массе.

  – изменение содержания золота по мощности исследуемой

  горной массы.

Рис. 5. Изменение содержания золота по глубине шурфа

В июне 2011 года (продолжительность эксперимента - 299 суток) была произведена выемка всей горной массы, участвующей в эксперименте. При отборе проб вся горная масса делилась по ширине на два ряда для возможности проведения контрольной обработки. Пробы обрабатывались на центробежном концентраторе Knelson-3,5”, золото из концентрата которого выделялось под бинокуляром вручную.

Миграция частиц золота определенного класса крупности происходила разнонаправленно, при этом средние содержания по фракциям не намного отличаются от среднего содержания фракций исходных проб (превышение составило не более 2,5 %). В процессе эксперимента более полно распределилось золота фракции -0,25 мм, хуже  -0,5+0,25 мм.

Результаты эксперимента, показанные на рис. 5, отражают изменение содержания золота по глубине относительно исходного. Содержание в верхнем слое уменьшилось на 62 %, в нижнем – увеличилось на 68,9 %. При этом среднее содержание всей горной массы незначительно отличается от среднего содержания исходных песков.

Регрессионный анализ экспериментальных данных позволил выявить зависимость C5=f(H) (kкор=0,992):

С5 = - 0,0021 · Н3 + 0,34 · Н2 + 12,12 · Н + 167,55, мг/м3, (5)

Наибольшее перемещение частиц золота в горизонтальном направлении наблюдалось в нижних слоях, незначительное перемещение – по всем слоям в первых трех интервалах. Изменения содержания золота всех фракций по длине блока определяется зависимостью (kкор= 0,99) :

С6 = 3,8 · 10-5 · L4 – 0,009 · L3 + 0,58 · L2 – 11,38 · L + 595,23, мг/м3,  (6)

В третьей главе (второе защищаемое научное положение) рассмотрен ряд методик, разработанных с целью обеспечения устойчивости грунтов по отношению к механической суффозии, необходимой для нормальной работы гидротехнических и водохозяйственных сооружений. По одной из этих методик (методика Павловича М.П.), оценка суффозионности (или несуффозионности) грунтов производится по максимальному диаметру фильтрационного хода в грунте dmax и минимальному диаметру частиц грунта dmin.

В процессе исследований установлено, что влияние гранулометрического состава вмещающих пород техногенных аллювиальных россыпей на параметры процесса суффозии, играющей существенную роль в механизме формирования обогащенного пласта, практически не изучено, поэтому методика расчета суффозии Павловича М.П. требует определенной корректировки. Необходимо учитывать, что эфельные фракции россыпей, отработанных открытым раздельным способом включают фракции пород размером менее 50–80 мм, а эфельные отвалы при подводной (дражной) разработке – менее 16–20 мм. Безусловно, параметры суффозионных процессов в этих различных по грансоставу отвалах будут иметь существенные отличия.

Разработанная методика определения максимальных фильтрационных ходов в техногенных отвалах россыпей включает:

1. Анализ и обобщение гранулометрического состава представительного ряда техногенных россыпей, отработанных открытым и подводным способами.

2. Определение характерных диаметров гранулометрического состава выделенных россыпей.

3. Анализ расчетных значений характерных диаметров техногенных россыпей и систематизация их по группам в зависимости от их величин.

4. Анализ суффозионности техногенной горной массы россыпей по методу Павловича М.П.

5. Оценка возможных вариантов формирования фильтрационных потоков в техногенной горной массе россыпей в зависимости от влияющих факторов.

6. Оценка силового воздействия гидропотока на частицу горной массы в зависимости от ее размера и формы, направления (уклона) поровых трубок.

7. Оценка суффозионности техногенной горной массы россыпей в зависимости от касательных напряжений, развиваемых фильтрационным потоком и касательных напряжений, возникающих между частицей и внутренней поверхностью поровой трубки.

На основе разработанной методики выполнены аналитические исследования, целью которых было определение максимального диаметра фильтрационного хода в техногенных отвалах на основе регрессионных уравнений, составленных с учетом фактических данных по ряду техногенных россыпных месторождений. Для решения этой задачи обобщены данные гранулометрического состава 20-ти россыпных месторождений, отработанных открытым раздельным способом, и 6-ти уникальных россыпей, разработка которых велась подводным (дражным) способом.

Анализ результатов предварительных расчетов максимального диаметра фильтрационного хода dмах по уравнениям регрессии показал, что для повышения точности вычислений рассматриваемые россыпные месторождения, отработанные открытым раздельным способом, можно разделить на три группы, отличающиеся значениями характерных диаметров гранулометрического состава d60,  d10 и d17. Первая группа характеризуется следующим соотношением величин характерных диаметров:

d6025; d101,0; d172,0 мм.

Для этой группы месторождений максимальный диаметр фильтрационного хода при пористости n = 20% определяется по уравнению

dmax20-1= .  (7)

Вторая группа техногенных россыпей:

25< d6035; 1,0<d102,0; 2,0<d173,2 мм, уравнение регрессии:

dmax 20-2 = 5,26 – 0,49⋅d60 – 2,17⋅d10 +0,12⋅d17 +0,01⋅– 0,58⋅+

+1,22⋅ – 0,12⋅d60⋅d10⋅d17 . (8)

Третья группа техногенных россыпей:

d60>35; d10>2,0; d17>3,2 мм, уравнение регрессии

dmax 20-3=33,58 – 2,29⋅d60 – 30,65⋅d10 +18,22⋅d17 + 0,03⋅+

+3,71⋅ – 1,65⋅+0,04⋅d60⋅d10⋅d17  .  (9)

Для техногенных россыпных месторождений, разработанных подводным (дражным) способом уравнение регрессии представлено степенной зависимостью, имеющей вид

. (10)

Максимальный диаметр фильтрационного хода dmax-n при пористости породы не равной 20 %, (значение пористости n) определяется по формуле

dmax-n = dmax 20k, (11)

где k – коэффициент, учитывающий пористость породы.

Коэффициент k определяется по уравнению (12) в зависимости от пористости n

  (12)

Установлено, что практически все аллювиальные породы техногенных россыпей суффозионны, т. к. соблюдается условие 0,77·dmax

Фильтрационные потоки формируются грунтовыми и поверхностными водами, а также при изменении температурного режима в зоне сезонного промерзания горной породы и в зоне вечной мерзлоты. Они способны сдвигать в толще песков мелкие частицы вмещающих пород и выносить их в другие области. Образующиеся в результате дополнительные объемы порового пространства обеспечивают возможность смещения вниз частиц большой плотности под действием собственного веса.

Фильтрационный поток в теле россыпи можно создать путем устройства в верхней части отрабатываемого блока траншеи для фильтрационной воды, подаваемой из водного источника самотеком. В нижней части спланированного блока проводится водосборная траншея. Характеристики фильтрационного  потока определяются многими показателями, которые в реальных условиях могут изменяться в широких пределах. К этим факторам относятся: пористость и фильтрационная способность горной массы, температура воды и пород, наличие или отсутствие водоупора и схема его расположения, глубина промерзания горной массы и скорость ее оттаивания, глубина воды в верхней и водосборной траншеях.

Ввиду многообразия возможных сочетаний определяющих факторов кратко рассмотрим несколько случаев формирования фильтрационных потоков.

I вариант – фильтрационный поток в однослойных породах без поверхностного стока (рис. 6).

Рис.6. Схема фильтрационного потока в однослойных породах без

поверхностного стока

Удельный расход q

,  (13)

где h0 – нормальная глубина.

II вариант – фильтрационный поток в однослойных породах с поверхностным стоком. Поверхностный поток по мере скатывания по поверхности пород будет просачиваться в нижележащие слои и подпитывать поток, фильтрующийся через боковой откос траншеи. Расход в произвольном сечении, отстоящем на расстоянии х от верхней траншеи, будет равен

  (14)

где q - расход фильтрационного потока, начинающегося от верхней траншеи.

III вариант – фильтрационный поток в двухслойных породах без поверхностного стока.

Общий расход потока

  (15)

где Zн – уровень воды в водозаводной траншее, м;

Т – расстояние от водоупора до границы слоев, м;

lр – расстояние от начального до разделительного сечения, м;

K1, K2 – коэффициенты фильтрации соответственно 1-го и 2-го слоев, м/с.

При изучении фильтрации жидкостей переменного состава (например, при учете изменения плотности и вязкости воды) для определения скорости фильтрации удобна форма закона Дарси, непосредственно учитывающая свойства жидкости

  ,  (16)

где  – кинематический коэффициент вязкости воды;

g – ускорение свободного падения;

C – коэффициент проницаемости поровой среды.

Фактическое силовое воздействие набегающего потока воды на частицу, находящуюся в поровой трубке, зависит от кинематической структуры потока, относительного размера частицы, её формы и шероховатости поверхности, а также от физических свойств воды.

Силу сопротивления при обтекании частицы в форме шара набегающим потоком жидкости при малых числах Рейнольдса можно определить по формуле Стокса

Fc =3 · · · V · d(17)

где V – средняя скорость потока в поровой трубке, определяемой по формуле

 

где – динамический коэффициент вязкости (= );

    - удельный вес воды.

С учетом формулы (19) для силы Fc получим:

Fc =0,094 · · J · · d · do. (19)

Если d  < do  и частица не касается стенок поровой трубки, частица без помех будет перемещаться в направлении фильтрационного потока.

Если поровая трубка не будет горизонтальной, а наклоненной к горизонту на угол , результирующая сила, действующая на частицу вдоль трубки, определяется по формуле

,  (20)

где  i = sin – уклон поровой трубки.

При положительном уклоне сдвигающая сила, действующая на частицу, будет больше, чем в горизонтальной трубке. Если уклон будет отрицательным, может произойти зависание частицы или даже движение частицы против направления потока. Остановка частицы возникнет при

                        (21)

где   – относительный удельный вес частицы.

Последнее выражение показывает, что с увеличением относительного размера частицы d/do  и уменьшением гидравлического (пьезометрического) уклона J обратный уклон поровой трубки, вызывающий зависание частицы, уменьшается.

При уклоне, меньше того, который определяется формулой (21), частицы будут перемещаться против направления фильтрационного потока.

Рассмотренный случай, когда частицы в процессе движения не касаются стенок поровой трубки, не является единственным. Вследствие разности плотностей тяжелая частица опускается вниз и в дальнейшем будет двигаться, опираясь на внутреннюю поверхность поровой трубки.

В этом случае возникает сопротивление сдвигу и касательные напряжения , которые определяются по закону Кулона

= · tg + c,  (22)

где нормальное напряжение на площадке сдвига;

  угол внутреннего трения;

  c коэффициент сцепления.

Уравнение (22) показывает, что сопротивление обеспечивается силами трения и сцепления между частицами породы. Если в породе имеется вода, воспринимающая часть внешней нагрузки, что при статическом внешнем воздействии может наблюдаться длительное время в глинистых породах, а при динамическом – в любой породе, то необходимо учитывать только нормальное напряжение. С учетом давления в воде (поровое давление рп) условие Кулона примет вид

= ( - рп) ⋅ tg + c  (23)

или

= эф⋅ tg + c, (24)

где эф = ( - рп) – эффективное нормальное напряжение.

Сдвиг частицы в направлении фильтрационного потока произойдет при условии, что касательные напряжения, развиваемые потоком ф, станут превышать касательные напряжения , возникающие между частицей и внутренней поверхностью поровой трубки, определяемой по формуле (24). Считая фильтрационный поток плавно изменяющимся и плоским, касательные напряжения ф определим по формуле

ф = ⋅J⋅h , (25)

где - удельный вес воды;

h – глубина потока.

Для среднего уклона можно использовать приближенную формулу

J Z / L , (26)

где Z – превышение уровня воды в водозаводной канаве над уровнем воды в водосборной канаве;

L – расстояние между канавами.

Таким образом, условие суффозионности горных пород имеет вид

· g · h · (Z / L) > эф· tg + c, (27)

откуда

Z > (эф⋅ tg + c)⋅ L / ⋅ h. (28)

Кроме условия (28), для создания суффозионного процесса горная порода должна содержать в достаточном количестве мелких частиц, определяемых коэффициентом неоднородности.

В четвертой главе, в которой обосновано третье защищаемое положение, дана характеристика горно-подготовительных работ в технологии формирования продуктивных зон техногенных россыпей, которые включают проведение следующие технологических операций:

- планировка поверхности бульдозером;

- проходка водозаводной и водоотводной канав;

- подвод технологической воды с заданными параметрами потока.

Для россыпей, отработанных открытым раздельным способом с применением промывочных приборов шлюзового или безшлюзового типа, характерно разделение песков россыпи на галечный, с фракцией крупностью более 20–100 мм, и эфельный отвалы, расположенные отдельно друг от друга. Это позволяет без проведения вскрышных работ производить планировку эфельного отвала.

Для определения объема эфельных отвалов необходимо знать его геометрические параметры. Так как большинство отвалов имеют неправильную геометрическую форму, то в таких случаях необходимо применять маркшейдерские методы определения объема.

Для техногенных месторождений, первично отработанных драгой, характерно расположение отвалов, показанное на рис. 7, когда верхний галечный отвал перекрывает нижний эфельный.

1– галечный отвал; 2 – эфельный отвал.

Рис. 7. Расположение дражных отвалов

В разрабатываемой технологии галечный отвал представляет собой «вскрышные породы» и перемещается на борта россыпи. Эфельный отвал планируется бульдозером в выработанном пространстве равномерно по мощности. Уклон долины будет создавать незначительный напор между водозаводной и аккумулирующей траншеями. Мощность спланированного отвала зависит от ряда факторов: гранулометрического состава песков, содержания в них илово-глинистых фракций, параметров забоя драги и др.

Максимально возможная мощность спланированного эфельного отвала hmax рассчитывается исходя из возможности расположения отвала в границах бортов отработанной россыпи с сохранением длины этой россыпи

,  (29)

где Sэ – площадь поперечного сечения эфельного отвала, м2;

bд – ширина дражного забоя по дну разреза, м;

– угол естественного откоса, град.

Спланированный эфельный отвал разбивается на блоки. Геометрические параметры блока определяются на местности и зависят от ряда факторов: рельефа местности, гранулометрического состава эфеля, горно-геологических условий первичной россыпи, уклона долины, удаленности источника воды и его дебета и др.

В верхней части блока проходят водозаводную канаву, в нижней – аккумулирующую. Длина блока определяется исходя из возможности обеспечения максимального напора между водозаводной и аккумулирующей канавами, необходимым временем насыщения блока водой, а также эффективного применения горной техники. При большой длине блока наблюдаются большие гидравлические сопротивления, при наличии которых скорость фильтрации и расход фильтрационного потока уменьшаются при увеличении длины блока даже с увеличением напора. Оптимальную длину блока принимаем Lбл=150 м.

Во избежание проведения больших объемов горных работ при проходке канав при большой мощности спланированного слоя проходят несовершенную канаву глубиной до 2 м. Дно и борта канавы укрепляются щебнем или галей, а верхний борт водозаводной и нижний борт аккумулирующей канав дополнительно укрепляется пленкой. Откос борта канавы – 1:0,5–1:1.

Вода в необходимом объеме непосредственно из котлована, через трубопровод или шланг подается в водозаводную канаву. Технологическая схема подачи воды показана рис. 8.

1 – котлован; 2 – водозаводная траншея.

Рис. 8. Технологическая схема подачи воды

В пятой главе на примере месторождения россыпного золота р. Джалинда, первично отработанной драгой 250ДМ, дано обоснование параметров рациональной технологии освоения техногенных россыпей в зависимости от их объема и фракционного состава. Средняя глубина россыпи составляет Hср=5,5 м.

По гранулометрическому составу эфельных хвостов по формулам (10)–(12) произведена оценка суффозионности. Установлено, что пески россыпи р. Джалинда суффозионны.

По методике, указанной в главе 3 диссертационной работы, определены объем дражного отвала и максимальная мощность спланированного слоя, величина которого составляет hсл = 3,7 м при ширине слоя Шбл=65 м. Определен расход фильтрационного потока, равный Qф =32,8 м3/ч, и представлены варианты подачи воды из источника в водозаводную канаву с использованием металлических или пластиковых труб, резиновых шлангов.

При среднем содержании золота в песках р. Джалинда Сср=140 мг/м3 и цене на золото 1600 руб./гр укрупненный экономический расчет показал снижение себестоимости добычи 1 гр золота на 10,1 %, а рентабельность отработки одного блока увеличилась на 14,4 %.

Оборотное водоснабжение обеспечивается перекачкой воды из аккумулирующей канавы в питающий котлован насосом с дизельным или бензиновым приводом. Насос выбирается исходя из необходимого объема перекачки и напора.

Воздействие фильтрационного потока на блок песков продолжается в течении всего промывочного сезона. После оттайки песков оперативным опробованием определяется степень миграции золота и принимается решение о дальнейшей подготовке блока или его промывки.

Заключение

В диссертационной работе изложены научно обоснованные технологические решения и разработки, имеющие существенное значение для развития россыпной золотодобычи. На основе использования факта миграции частиц золота под воздействием природных процессов теоретически и экспериментально обоснована и разработана технология освоения техногенных россыпных месторождений.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Установлено, что закономерности механизма миграции ценных компонентов в процессах формирования обогащенного пласта техногенной россыпи определяются промежуточными значениями величин критериев гравитационно-диффузионного и миграционного механизмов концентрации тяжелых минералов.

2. Определено, что миграция частиц золота происходит более интенсивно при увеличении количества циклов П–П. Криогенные процессы как самостоятельный фактор оказывают заметное влияние на миграцию золота только мелких классов крупности (–0,25 мм).

3. Выполнен анализ суффозионных свойств аллювиальных горных пород техногенных россыпных месторождений. Установлено, что практически все аллювиальные породы техногенных россыпей суффозионны, что является важным положительным фактором в технологии формирования обогащенного пласта.

4. Определены особенности расчета одного из основных показателей суффозионности аллювиальных пород техногенных россыпных месторождений – максимального диаметра фильтрационного хода горной породы в зависимости от соотношения сочетаний значений характерных диаметров горной породы для месторождений, отработанных открытым раздельным и подводным способами.

На основе анализа гранулометрического состава эфельных фракций техногенных россыпных месторождений получены уравнения регрессии, позволяющие определить максимальный диаметр фильтрационного хода горной массы в зависимости от характерных диаметров частиц породы.

5. Рассчитаны параметры фильтрационного потока, необходимого для создания в спланированном эфельном отвале процесса суффозии, обеспечивающего вынос частиц определенной крупности. Определены условия возникновения процесса суффозии.

6. На основе экспериментальных исследований с помощью методов математической статистики получены аналитические зависимости изменения зон концентрации золота различного фракционного состава в модельной аллювиальной горной массе техногенных россыпных месторождений под воздействием энергии безнапорных потоков технологической воды и при дополнительном влиянии криогенных процессов обводненной горной массы. Установлено, что при комплексном воздействии энергии безнапорных потоков воды и циклов П–П  зона концентрации металла по глубине горной массы смещается вниз, увеличиваясь на 20–64 % в сравнении с воздействием только энергии водного потока, а также происходит ее перемещение и по длине отвала, причем преобладающее влияние здесь оказывает преимущественно энергия безнапорного потока воды. 

7. На основе натурных экспериментальных исследований установлено, что после воздействия на горную массу потока воды и ее проморозки в зимний период содержание золота в верхнем слое уменьшилось на 62 % относительно исходного, в нижнем – увеличилось на 68,9 %.

8. Уточнены характеристики отвальных комплексов техногенных россыпных месторождений при их разработке открытым и подводным способами. Определены операции горно-подготовительных работ с целью формирования безнапорного потока воды. Создан алгоритм расчета параметров ГПР при планировке отвального комплекса дражной разработки с учетом следующих требований: максимальное использование выработанного пространства, создание напора между потоками воды в водозаводной и аккумулирующей траншеях, зависящего от гранулометрического состава песков, содержания в них илово-глинистых фракций, коэффициента фильтрации, гидрологических и климатических условий местности.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Алексеев В.С. Теоретические предпосылки и экспериментальные исследования процесса миграции полезных компонентов в обводненной аллювиальной среде / В.С. Алексеев // Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельный выпуск: Дальний Восток. – 2007. – № ОВ 9. – С. 243-250.

2. Мамаев Ю.А. Развитие теории процессов формирования техногенных россыпных месторождений / Ю.А. Мамаев, В.С. Литвинцев, Г.П. Пономарчук, В.С. Алексеев // Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельный выпуск: Дальний Восток-3. – 2007. – № ОВ 16 . – С. 106-122.

3. Литвинцев В.С. Рациональные методы извлечения золота из техногенного минерального сырья россыпных месторождений / В.С. Литвинцев, Т.С. Банщикова, Н.А. Леоненко, В.С. Алексеев // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 2012. – № 1. – С. 190-194.

4. мамаев ю.а. закономерности процесса формирования  техногенных россыпей благородных металлов в современных условиях / ю.а. мамаев, в.с. литвинцев, в.с. алексеев // Известия вузов. Горный журнал. 2011. № 8. С. 135-145.

Материалы конференций и патенты:

5. Алексеев В.С. Теоретические предпосылки и экспериментальные исследования процесса миграции полезных компонентов в обводненной аллювиальной среде / В.С. Алексеев  // Проблемы освоения недр в 21 веке глазами молодых: 3 международная научная школа молодых ученых и специалистов. – М.: ИПКОН РАН, 2006. – С. 145-147.

6. Алексеев В.С. Экспериментальные исследования процесса миграции полезных компонентов в обводненной аллювиальной среде/ В.С. Алексеев // Проблемы недропользования: материалы 1 молодежной научно-практической конференции (Екатеринбург, 14 февр. 2007 г.). – Екатеринбург: УрО Ран, 2007. – С. 26-33.

7. Алексеев В.С. Развитие теории процессов формирования техногенных россыпных месторождений / В.С. Алексеев // Проблемы освоения недр в 21 веке глазами молодых: материалы 4 Международной научной школы молодых ученых и специалистов (Москва, 6-9 нояб. 2007 г.). – М.: ИПКОН РАН, 2007. – С. 134-140.

8. Алексеев В.С. Формирование продуктивного пласта техногенных россыпей / В.С. Алексеев, В.С. Литвинцев, Ю.А. Мамаев // Проблемы освоения техногенного комплекса месторождений золота: материалы Межрегиональной научной конференции (Магадан, 15-17 июля 2010 г.). – Магадан: СВКНИИ ДВО РАН, 2010. – С. 106-108.

9. Алексеев В.С. Формирование продуктивного пласта техногенных россыпей / В.С. Алексеев, Ю.А. Мамаев, В.С. Литвинцев // Россыпи и месторождения кор выветривания: современные проблемы исследования и освоения: материалы 14 международного совещания (Новосибирск, 2-10 сент. 2010 г.). – Новосибирск: ООО «Апельсин», 2010. – С. 40-42.

10. Алексеев В.С. Обоснование структуры горно-подготовительных работ на россыпных техногенных отвальных комплексах с учетом особенностей их строения / В.С. Алексеев // Проблемы комплексного освоения георесурсов: материалы 3 международной научной конференции. –Хабаровск: ИГД ДВО РАН, 2010. – 4 т. – С. 7-13.

11. Литвинцев В.С. Горно-подготовительные работы в технологии формирования продуктивного пласта техногенной россыпи / Литвинцев В.С., В.С. Алексеев // Минерагения Северо-Восточной Азии: материалы II Всероссийской научно-практической конференции. – Улан-Удэ: ИД «Экос», 2011. – С. 96-98.

12. Алексеев В.С. Экспериментальные исследования комплексного воздействия природных процессов на концентрацию полезных компонентов в приплотиковой области техногенной россыпи / В.С. Алексеев // Проблемы недропользования: материалы V Всероссийской молодежной научно-практической конференции с участием иностранных ученых (Екатеринбург, 8-11 февр. 2011 г.). – Екатеринбург: УрО РАН, 2011. – С. 7-16.

13.  Пат. 2327039 Российская Федерация, МПК6 Е 21 С 41/30, В 03 В 5/02. Способ разработки россыпей и технологический комплекс для его осуществления / Литвинцев В.С., Хрунина Н.П., Мамаев Ю.А., Алексеев В.С.; заявитель и патентообладатель Институт горного дела ДВО РАН. – № 2006146462; заявл. 25.12.06; опубл. 20.06.08, Бюл. № 17. – 7 с.

Алексеев Владимир Сергеевич

Обоснование РАЦИОНАЛЬНОЙ технологии

ФОРМИРОВАНИЯ ПРОДУКТИВНОЙ ЗОНЫ ПРИ

ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКЕ

ТЕХНОГЕННЫХ  РОССЫПЕЙ ПРИАМУРЬЯ

25.00.22 Геотехнология

(подземная, открытая и строительная)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Подписано в печать 16.04.2012. Формат 60х84 1/16.

Бумага писчая. Гарнитура «Таймс». Печать цифровая.

Усл. печ. л. 1,3. Тираж 100 экз. Заказ 106.

Отдел оперативной полиграфии издательства

ФГБОУ ВПО «Тихоокеанского государственного университета».

680035, Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.