СПОСОБ СЕЛЕКТИВНОЙ РАЗРАБОТКИ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩИХ РУД Российский патент 1998 года по МПК E21C41/26 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при разработке открытым способом месторождений полезных ископаемых, сложенных неоднородными породами, при вертикальном падении ограниченных в плане рудных тел, в частности, при отработке кимберлитовых трубок.

Известен способ селективной отработки крутопадающих месторождений, сложенных неоднородными породами, включающий оконтурирование участков, рыхление пород с формированием выработанного пространства, отгрузку рудной массы (Беляков Ю. И. Выемочно-погрузочные работы на карьерах, М., Недра, 1987, с. 208-212).

Известен способ позволяет повысить эффективность разработки крутопадающих месторождений, сложенных неоднородными породами за счет оконтуривания однородных по качеству участков руд с последующей подготовкой к выемке каждого типа руд по определенной технологии (с конкретными параметрами сети скважин и плотности заряжания для каждого типа руд), и дальнейшей их селективной выемки.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, относится то, что известный способ неэффективен при разработке крутопадающих алмазосодержащих рудных тел, сложенных неоднородными породами, так как ведение горных работ по известному способу приводит:
к разрушению кристаллов алмазов из-за сейсмического воздействия на массив кимберлитов при буровзрывной подготовке;
к увеличению затрат на добычу кимберлитов в связи с производством буровых и взрывных работ;
к увеличению времени простоев карьера из-за загазованности его атмосферы в результате ведения взрывных работ.

Ценные руды в приводимом аналоге переводят в кусковатое состояние буровзрывным способом. При взрывании заряда BB в породе, и непосредственной близости от заряда, возникает и распространяется сильная волна напряжений (ударная волна) с напряжениями на фронте волны выше предела прочности алмаза на сжатие. Возникающие в горном массиве сильные волны напряжений распространяются со скоростью, близкой к скорости звука в невозмущенной среде. В зоне контакта /заряда - среда/ порода раздавливается и сильно измельчается. Сфера распространения данной зоны находится в пределах 3-6 радиусов скважинного заряда. На некотором удалении от зоны контакта "заряд - среда" напряжение сжатия быстро падает и становится меньше предела прочности на одноосное сжатие. Дальнейшее распространение волны напряжений вглубь горного массива способствует возникновению тангенциальных напряжений, значительно превосходящих предел прочности кимберлитов и кристаллов на взрыв. Различие плотностей кимберлитов и кристаллов алмазов ведет к резкому увеличению упругих свойств. В силу значения акустической жесткости цементной связующей кимберлитов на границе контакта "кимберлит - кристалл" происходит резкий рост параметров волны сжатия. Кроме того, в результате отражения волны сжатия от поверхности кристалла внутрь его протекает волна разряжения, взрывающая растягивающее напряжение.

Ввиду того, что сопротивление кристаллов сжатию больше сопротивления на разрыв, волна разряжения производит более разрушительное воздействие, чем волна сжатия. Поэтому при падении и отражении волны напряжений от грани кристалла абсолютные значения их давлений должны как минимум удваиваться. В этом случае возникает ситуация, когда результирующие напряжения будут превышать предел прочности на разрыв. При этом продолжительность действия сопряженных волн напряжений как функции амплитуды напряжения должна быть одного порядка с размером кристалла. Поскольку изменение амплитуды волны подчиняется закону геометрического подобия, то при взрыве заряда размер кристалла, способного разрушиться, будет функцией только напряжения.

Описанный механизм воздействия волн разряжения на массив кимберлитов может привести к разрушению до 45% алмазов при взрывании по традиционной технологии (по сетке скважин 7х7 или 8х8 метров). При этом наиболее подвержены разрушению крупные кристаллы алмазов. Данное обстоятельство приводит к снижению качества и цены кристалла и тем самым наносит ущерб алмазодобывающим предприятиям.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному объекту по совокупности признаков является способ селективной разработки алмазосодержащих руд, включающий оконтуривание участков рудного массива, рыхление пород высокой крепости буровзрывным способом, формирование выработанного пространства, разупрочнение и отгрузку рудной массы (см. патент РФ N 2009318, E 21 C 41/26, публ. 15.03.94, БИ N 5).

К основным причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что при отработке кимберлитовых трубок небольшая площадь рудного тела и связанное с ней быстрое понижение горных работ не позволяют занимать большие площади рудного тела под замачивание в течение 15 и более дней (разупрочнение в известном способе происходит за счет замачивания высокоминерализированным рассолом). Кроме того, эффективность ведения работ согласно известному способу снижают низкая производительность бульдозерного рыхления, низкая производительность экскаватора при отработке ("невысокого") штабеля разупрочнения руды, а также необходимость привлечения дополнительных затрат на мероприятия по осуществлению разупрочняемого высокоминерализованным рассолом массива руд. Еще одним недостатком ведения работ по известному способу является то, что в подаваемой на обогатительную фабрику разупрочненной руде содержится недостаточное количество "дробящих тел" (кусков руды крупностью свыше 200 мм), что приводит к снижению производительности мельниц самоизмельчения, увеличению циркуляции (т.е. увеличению времени нахождения руды в мельнице) и, соответственно, снижению сохранности кристаллов алмазов. При производстве горных работ согласно известному способу в зоне, прилегающей к конечному (или этапному) контуру карьера, из-за разупрочнения высокоминерализованным рассолом снижается устойчивость откосов уступов.

Ценные руды в приводимом прототипе приводят в кусковатое состояние безвзрывным способом. На первой стадии ценная руда переводится в кусковое состояние механическим рыхлением. При этом рыхление рудного массива производится при параллельных смежных проходах рыхлителя на горизонтальной или наклонной площадке. В результате создается слой разрушенной породы.

На второй стадии в прототипе перевод руд высокой ценности в кусковатое состояние производится путем их разупрочнения в природных высокоминерализованных рассолах. Проникновение растворов в горную породу осуществляется по капиллярам, микротрещинам и дефектам структуры. Капиллярам принадлежит роль подвода раствора к вершинам микротрещин, размеры которых сопоставимы с двойным электрическим слоем воды. Формирующая поверхность покрывается тонкими пленками, проникающими в породу до того момента, когда размер микротрещины становится меньше размера адсорбирующих частиц. Взаимодействие с породой интенсифицируется за счет температуры, внешних напряжений, особенностей химического состава раствора, вида структурных связей и удельной поверхности горной породы. При этом время реагирования породы с рассолом должно быть достаточным для формирования адсорбционных слоев, диффузного проникновения растворов и структурных изменений породы.

Механизм воздействия на породу хлоридно-кальциевых рассолов базируется на следующих представлениях. При наличии в составе породы одновалентных катионов, ее разупрочнение растворами с катионами большей валентности достигается за счет гидратационных напряжений (увеличение объема прочносвязанной в породе воды). Насыщенная трехвалентными катионами порода снижает прочность при действии катионов с меньшей валентностью из-за ослабления структурных связей - уменьшения объема прочносвязанной воды.

При равенстве валентностей разупрочнение является следствием адсорбции растворителя. При этом интенсивное смачивание поверхности породы и насыщение макро- и микротрещин является одним из основных условий разупрочнения. Наиболее сильно влияют на разупрочнение растворы, родственные породе по химическому составу и строению, обеспечивающие компенсацию формирующихся при разрушении структурных связей.

Данное явление нашло экспериментальное подтверждение при обогащении проб руды, замачиваемых в природных водах хлоридно-кальциевого состава.

Исследование зависимости предела прочности кимберлитов на растяжение от срока пребывания их в рассолах показало, что интенсивное снижение прочности (в 1,5-1,8 раз) наблюдается в течение первых 15 дней. В связи в этим необходимой операцией в прототипе является выдерживание разрыхленного массива руды в обводненном высокоминерализованными рассолами состоянии в течение не менее 15 дней.

При продолжении замачивания интенсивность разупрочнения снижается, но для обеспечения максимального раскрытия кристаллов руду, как правило, выдерживают в обводненном состоянии еще не менее 10 дней. После этого в течение 5-10 дней проводят мероприятия по осушению разупрочненного массива кимберлитов.

Таким образом, значительная площадь рудного массива в течение месяца недоступна для отработки руды. В условиях ограниченности размеров вскрытого рудного тела (не более 300 метров в поперечнике) и необходимости (для обеспечения обогатительной фабрики рудой) интенсивной отработки рудных горизонтов, - длительная недоступность рудного массива для отработки является существенным недостатком прототипа. Кроме того, известному способу свойственны другие недостатки, описанные выше при критике прототипа.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении эффективности переработки руды за счет: увеличения производительности разработки рудного массива и скорости понижения горных работ (что является необходимым при отработке вертикальнопадающих ограниченных в плане рудных тел), снижения эксплуатационных затрат, обеспечении оптимального по крупности состава рудной массы,- при обеспечении сохранности кристаллов алмазов.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе селективной разработки алмазосодержащих руд, включающем оконтуривание участков рудного массива, рыхление пород высокой крепости буровзрывным способом, формирование выработанного пространства, отгрузку рудной массы, рыхление и отгрузку массива ценных руд невысокой крепости ведут роторным экскаватором, причем соотношение отгружаемых объемов ценной руды невысокой крепости и руды высокой крепости составляет от 0,75 : 0,25 до 0,80 : 0,20, а содержание кусков крупностью более 200 мм в руде высокой крепости должно быть не менее 5%.

Существенность признаков формулы подтверждается наличием причинно-следственной связи между совокупностью признаков, перечисленных выше в формуле изобретения, и вышеизложенным техническим результатом.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений, с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенным признакам заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

Сведения, подтверждающие возможность связи признаков изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключается в следующем.

Чтобы обеспечить решение поставленной выше технической задачи, т.е. повысить эффективность переработки руды за счет: увеличения производительности разработки рудного массива и скорости понижения горных работ (при отработке вертикально - падающих ограниченных в плане рудных тел), снижения эксплуатационных затрат, обеспечении оптимального по крупности состава рудной массы, - при обеспечении сохранности кристаллов алмазов, - необходимо устранить недостатки, свойственные прототипу. Требуется в зонах ценной руды (т. е. зонах, в пределах которых содержится максимальное число крупных кристаллов), переводить горную массу в кусковатое состояние новым (для алмазосодержащих руд) безвзрывным способом. В связи с изложенным в предложенном изобретении ценную руду невысокой крепости переводят в кусковатое состояние роторным экскаватором.

Для отработки массива кимберлитов необходимо использовать роторный экскаватор, оснащенный усиленным роторным колесом, ковши которого оснащены зубьями специального исполнения. Например, экскаватор К-650 Чешского производства может применяться при крепости кимберлитов до f= 6-8 по шкале проф. М. М. Протодьяконова. Рыхление и отгрузка массива кимберлитов происходит в результате поочередного внедрения в горную массу ковшей роторного экскаватора с отделением от массива серповидных стружек. Из ковшей роторного экскаватора рудная масса поступает на конвейер роторной стрелы, затем перегружается на погрузочный конвейер и отгружается в средства транспорта (например, большегрузные карьерные автосамосвалы САТ-785В).

В соответствии с техническими характеристиками роторного экскаватора (например, К-650) параметры забоя характеризуются шириной заходки, которая определяется радиусом черпания роторного экскаватора (для К-650 радиус черпания равен 20 м), и высотой уступа, которая равна высоте черпания ротора (для К-650 высота черпания равна 15 м). Кроме того, необходима небольшая площадка для маневров автосамосвалов при установке под погрузку. Таким образом, в сравнении с бульдозерным рыхлением и последующим "замачиванием" руды в рассолах (см. прототип) выемка роторным экскаватором отличается высокой производительностью и небольшими размерами рабочей площадки, что очень важно при отработке крутопадающих, ограниченных в плане рудных тел, к которым относятся кимберлитовые рудные тела.

В отличие от технологии, предусматривающей предварительное взрывное рыхление массива кимберлитов (см. аналог), отработка роторным экскаватором позволяет избежать взрывных нагрузок на массив кимберлитов, что дает возможность обеспечить сохранность кристаллов алмазов, снизить эксплуатационные затраты за счет исключения затрат на буровзрывные работы, снизить качество экологически вредных выбросов, уменьшить простои из-за ведения взрывных работ и тем самым увеличить производительность разработки рудного массива. В отличие от технологии с "замачиванием" руды в рассолах (см. прототип) при отработке массива кимберлитов роторным экскаватором нет необходимости использовать большие площади рудных горизонтов под замачивание руды, очень важно при интенсивном понижении горных работ на ограниченных в плане коренных месторождениях алмазов.

Кроме того, при отработке массива роторным экскаватором производится одновременная погрузка руды в автосамосвалы, что невозможно при рыхлении руды бульдозером, так как требуется дополнительное погрузочное оборудование. Это также позволяет снизить эксплуатационные затраты.

Разрыхленная и отгруженная роторным экскаватором рудная масса почти не содержит "дробящих тел", т.е. кусков крупностью свыше 200 мм. Подача на обогатительную фабрику рудной массы, не содержащей дробящих тел, привела бы к снижению производительности мельниц самоизмельчения ввиду того, что из-за отсутствия "дробящих тел" рудная масса длительное время не "самоизмельчалась", т. е. достигла необходимого класса крупности - 50 мм. Данное обстоятельство привело бы к увеличению циркуляции (т.е. более длительному механическому воздействию на кристаллы алмазов) в мельницах и, соответственно, снижению сохранности кристаллов алмазов. Поэтому в предлагаемом способе необходимо обеспечить оптимальный по крупности состав рудной массы.

Для обеспечения оптимального по крупности состава рудной массы к отгружаемой роторным экскаватором ценной руде невысокой крепости, составляющей 0,75-0380 от общего объема подаваемой руды, подшихтовывают (добавляют) 0,20-0,25 руды более высокой крепости, отработанной на других блоках буровзрывным способом. При этом подшихтовываемая руда более высокой крепости должна содержать не менее 5% кусков руды крупностью свыше 200 мм, что является необходимым для нормального протекания процесса самоизмельчения. Таким образом обеспечивается оптимальный по крупности состав рудной массы, позволяющий обеспечить необходимое количество "дробящих тел" и, соответственно, повысить производительность мельниц самоизмельчения, уменьшить циркуляцию и, как следствие, обеспечить сохранность кристаллов алмазов.

Способ поясняется на примере разработки коренного месторождения алмазов.

Способ осуществляют следующим образом.

В ходе открытой разработки месторождения ведут эксплуатационную разведку. В результате опробования керна разведочных скважин получают информацию кимберлитовых руд, содержании алмазов по классам крупности и физико-механических свойствах руд (крепости, предел прочности на сжатие и прочие). Например, на карьере трубки "Удачная" выделяют следующие зоны по значениям коэффициента крепости по проф. М.М.Протодьяконова: 1) f<4; 2) f = 4 - 6; 3) f >6. Первые два диапазона значений крепости характеризуют руды невысокой крепости, третий диапазон характеризует зоны высокой крепости. Кроме того, выделяются зоны о ценности руд. Каждая из зон характеризуется ценой 1 т руды. Например, на карьере трубки "Удачная" принята следующая классификация руд по ценности (в долларах США): c 100 дол США/т; с = 50-100 дол США/т; c = 10 - 50 дол США/т.

На основании полученных данных эксплуатационной разведки известными методами геостатистики производят оконтурирование участков однородных по ценности и физико-механическим свойствам руд. Выделенные таким образом участки рудного тела являются основной для оконтуривания технологических зон. В технологических зонах руд низкой ценности (c = 10-50 дол США/т) и высокой крепости (f>6) рыхление пород производят буровзрывным способом. Отгрузку разрыхленной рудной массы производят экскаватором типа "мехлопата" (например, ЭКГ-15). Отработанную таким образом руду отгружают на обогатительную фабрику, либо на рудный склад, подготавливая ее к последующей подшихтовке.

Рыхление и отгрузку массива руд высокой ценности (св. 110 дол США/т) с невысоким средним значением коэффициента крепости f = 4 - 6 (или f<4) ведут роторным экскаватором специального исполнения (например, Е-650). Разрыхленную и отгруженную роторным экскаватором руду доставляют большегрузными автосамосвалами (например, САТ-785В) на пандус (рудоприемное устройство) обогатительной фабрики.

На пандусе обогатительной фабрики производят смешивание ценных руд невысокой крепости и руд высокой крепости таким образом, чтобы соотношение отгружаемых объемов ценной руды невысокой крепости и руды высокой крепости составляет от 0,75: 0,25 до 0,80 : 0,20. При этом содержание кусков руды крупностью более 200 мм в отгружаемой руде высокой крепости должно быть не менее 5%.

За определенный промежуток времени (например, в течение 8-часовой смены на пандусе обогатительной фабрики разгружают 20) или, например, 25) автосамосвалов, доставивших руду высокой крепости, и 80 (или, например, 75) автосамосвалов, доставивших ценную руду невысокой крепости от роторного экскаватора.

Использование предложенного способа позволит повысить эффективность переработки руды за счет: увеличения производительности разработки рудного массива и скорости понижения горных работ отработке вертикальнопадающих ограниченных в плане рудных тел, снижения эксплуатационных затрат, обеспечении оптимального по крупности состава рудной массы, - при обеспечении сохранности кристаллов алмазов.

Способ разработки предназначен для разработки открытым способом месторождений полезных ископаемых, сложенных неоднородными породами, при вертикальном падении ограниченных в плане рудных тел, в частности, при отработке кимберлитовых трубок. Способ заключается в оконтуривании участков рудного массива, рыхлении пород высокой крепости буровзрывным способом, формировании выработанного пространства и отгрузке рудной массы. Рыхление и отгрузку массива ценных руд невысокой крепости ведут роторным экскаватором. Соотношение отгружаемых объемов ценной руды невысокой крепости и руды высокой крепости составляет от 0,75 : 0,25 до 0,80 : 0,20, а содержание кусков крупностью более 200 мм в руде высокой крепости по массе должно быть не менее 5%. Решается задача увеличения производительности разработки, скорости понижения горных работ и обеспечения оптимального по крупности состава рудной массы.

Способ селективной разработки алмазосодержащих руд, включающий оконтуривание участков рудного массива, рыхление пород высокой крепости буровзрывным способом, формирование выработанного пространства, отгрузку рудной массы, отличающийся тем, что рыхление и отгрузку массива ценных руд невысокой крепости ведут роторным экскаватором, причем соотношение отгружаемых объемов ценной руды невысокой крепости и руды высокой крепости составляет 0,75 : 0,25 - 0,80 : 0,20, а содержание кусков крупностью более 200 мм в руде высокой крепости должно быть не менее 5%.