С развитием промышленности спрос на минеральные ресурсы постоянно растет. В настоящее время как развитые, так и развивающиеся страны рассматривают приобретение и освоение ресурсов в качестве стратегических мер. Поэтому в горнодобывающей промышленности появилось большое количество эффективных, безопасных и экономичных горных технологий и методов, требующих строгого соблюдения передовых технологий для эффективного освоения ресурсов.

(I) Интеллектуализация подземных рудников

В настоящее время подземные рудники во всем мире стремятся к эффективности и безопасности, что приводит к постоянному совершенствованию уровня механизации и автоматизации.

Взять, к примеру, Кирунский железорудный рудник в Швеции. Кирунский железорудный рудник славится добычей высококачественной железной руды (с содержанием железа более 70%) и в настоящее время является одним из крупнейших железорудных рудников в мире. Добыча железной руды на нем ведется более 70 лет, и сейчас она перешла от открытой добычи к подземной. Интеллектуализация Кирунского железорудного рудника в первую очередь обусловлена инвестициями в крупное механическое оборудование, интеллектуальные системы дистанционного управления и современную систему управления. Высокоавтоматизированные и интеллектуальные горные системы и оборудование являются ключом к обеспечению безопасной и эффективной добычи.

1) Разработка. На Кирунской железорудном руднике используется комбинированная разработка стволов + уклонов. Рудник имеет 3 ствола для вентиляции и подъема руды и пустой породы. Персонал, оборудование и материалы в основном транспортируются по уклонам с использованием беспутевого оборудования. Главный подъемный ствол расположен в почве рудного тела. К настоящему времени очистной забой и основная транспортная система перемещались вниз 6 раз, а текущий основной транспортный горизонт находится на отметке 1045 м.

2) Бурение, заряжание и взрывание. При проходке тоннелей используются буровые установки, оснащенные 3D электронным измерительным устройством для точного позиционирования буровых скважин. Для бурения в очистных выработках используется дистанционно управляемая буровая установка SimbaW469 производства шведской компании Atlas Copco, с диаметром скважины 150 мм и максимальной глубиной скважины 55 м. Эта установка использует лазерную систему для точного позиционирования, работает без участия человека и может работать непрерывно в течение 24 часов. Годовой объем добытой руды может достигать 3 миллионов тонн.

3) Дистанционная погрузка руды, транспортировка и подъем. На Кирунской железорудном руднике бурение в очистных выработках, погрузка и вывозка, а также подъем достигли уровня интеллектуальных и автоматизированных операций. Как буровые установки, так и самоходные погрузочно-доставочные машины работают без участия человека. Для погрузки руды используется дистанционно управляемая самоходная погрузочно-доставочная машина Toro2500E с производительностью одной единицы 500 т/ч. Подземная транспортная система имеет два типа: ленточный конвейер и автоматическая железнодорожная транспортировка. Автоматическая железнодорожная транспортировка обычно состоит из 8 рудных вагонов, которые представляют собой автоматические вагоны с разгрузкой снизу для непрерывной погрузки и разгрузки. Ленточный конвейер автоматически транспортирует руду от дробильной станции к весовому устройству, завершая погрузку и разгрузку со скипом ствола. Весь процесс управляется дистанционно.

4) Технология дистанционного управления бетонированием и креплением. Крепление выработок осуществляется комбинированным способом: торкретирование-анкеровка-сетка, выполняемое дистанционно управляемой машиной для торкретирования. Анкерные болты и стальная сетка устанавливаются с помощью буровой установки.

(II) Все более широкое применение технологии выщелачивания

В настоящее время технология выщелачивания широко используется для извлечения низкосортных медных, золотых и урановой руд. Существует три основных типа технологии выщелачивания: подземное выщелачивание, кучное выщелачивание и выщелачивание с предварительным дроблением на месте.

В таких странах, как США, Канада и Австралия, в основном используется кучное выщелачивание и выщелачивание с предварительным взрывным дроблением на месте для извлечения низкосортной медной руды (0,15%~0,45%), медной руды оксидного типа (более 2%) и урановой руды (0,02%~0,1%).

Взять, к примеру, США. В США более 20 рудников используют выщелачивание с предварительным взрывным дроблением на месте для добычи меди. Например, рудник Майк в Неваде и рудник Зония Коппер в Аризоне производят более 2,2 тонны меди в день. Рудник Бьютт и рудник Коппер Куин Бранч в Монтане производят 10,9-14,97 тонны медного металла в день. На выщелачивание приходится более 20% от общего объема производства меди, более 30% от производства золота и подавляющее большинство производства урана в США.

(III) Технология добычи на глубоких рудниках

По мере постоянного уменьшения объемов ресурсов глубина горных работ становится все больше, простираясь ниже 1000 м. Это создает множество трудностей и проблем, с которыми не сталкиваются при мелкой добыче, таких как увеличение горного давления и повышение температуры горных пород. Одновременно возрастают и проблемы, связанные с подъемом, водоотливом, креплением и вентиляцией.

Общие проблемы на глубоких рудниках:

1) Подъемная мощность. По мере увеличения глубины горных работ первой проблемой, с которой сталкиваются, является подъемная мощность рудника. Современные подъемные устройства могут поднимать материалы на максимальную высоту, превышающую 2000 м. Например, самый глубокий рудник с одним подъемным устройством в Канаде достиг глубины 2172 м, а ствол на золоторудном руднике в Южной Африке достиг 2310,4 м. В настоящее время возможности подъемного оборудования полностью удовлетворяют требованиям крупных глубоких рудников.

2) Температура горных пород и вентиляция охлаждения. По мере увеличения глубины горных работ повышается и температура горных пород. Например, на медном цинковом руднике Тойоха в Японии температура горных пород на горизонте -600 м (примерно 1200 м ниже поверхности) превысила 100 ℃, однако во многих странах мира установлено, что температура под землей не должна превышать 28 ℃. На глубоких рудниках обычно увеличивают объем подземной вентиляционной струи и охлаждают подземный воздух, используя как воздушное, так и водяное охлаждение. Независимо от того, какой из методов или оба метода выбраны, помимо снижения температуры воздуха, важно также уменьшить тепловыделение от подземного механического оборудования, подземного дизельного оборудования и самого холодильного оборудования.

3) Управление горным давлением и методы добычи. На глубоких рудниках обычно создается полная система измерения и мониторинга горного давления, которая напрямую связана с бесперебойным ходом горных работ и уровнем производственных затрат. Горные удары являются серьезной проблемой, с которой сталкиваются при глубокой добыче. Для прогнозирования горных ударов на многих рудниках под землей устанавливаются микросейсмические мониторы. Например, на серебряном руднике Саншайн в США на горизонте 2254 м установлен микросейсмический монитор для круглосуточного мониторинга.

4) Самовозгорание и самовзрыв. При глубокой добыче также могут возникать такие явления, как самовозгорание сульфидной руды из-за высокой температуры руды и самовзрывы при взрывном заряжании, что также требует достаточного внимания.

В настоящее время глубина горных работ на не угольных рудниках в Китае, как правило, не превышает 700-800 м. Однако в последние годы разрабатываются некоторые месторождения с глубиной залегания около 1000 м, в том числе медное месторождение Дунгуашань компании Tongling Nonferrous Metals и горный район Цзиньчуань № 2.

(IV) Работы по охране окружающей среды на рудниках

За рубежом, особенно в развитых странах, принимаются комплексные меры по оздоровлению горной среды. Существуют строгие технические нормативы на шахтные сточные воды, отходящие газы, хвосты, пыль, шум и т.д. Многие низкосортные рудники не могут быть построены и введены в эксплуатацию из-за высокой стоимости природоохранных мероприятий.

В настоящее время зарубежные страны также подчеркивают создание безотходных и чистых шахт. Угольная шахта Вальзум в Рурском промышленном районе Германии является успешным примером. Угольный шлам с угольной обогатительной фабрики, угольная зола после работы угольной электростанции и измельченная подземная пустая порода добавляются в цемент, активируются и перемешиваются, а затем с помощью насоса PM транспортируются в подземную зону для заполнения пустот. Шахта не сбрасывает твердые отходы наружу.

Технология заполнения горных выработок

В зависимости от ситуации используются различные заполняющие материалы:

1) Местная поддержка. Для уменьшения опасности упругого объемного закрытия и горных ударов следует использовать высококачественные жесткие заполняющие материалы.

2) Контроль пластов. Требования к качеству заполняющих материалов не являются строгими, но требуется крупномасштабное заполнение, и заполнение не должно усаживаться после заполнения.

3) Многопластовая добыча. Требование к заполняющим материалам заключается в том, что в условиях меньшего напряжения заполняющий материал должен быть жестким, чтобы минимизировать деформацию и смещение слоев горных пород.

4) Контроль окружающей среды. Для обеспечения герметизации висячего бока во избежание потока воздуха через выработанное пространство требуется, чтобы заполняющий материал не усаживался и проводилось крупномасштабное заполнение.

5) Сокращение подъема пустой породы. Подготовьте и измельчите пустую породу под землей в качестве заполняющего материала для повышения эффективности.

Текущие вопросы, которые следует учитывать при заполнении:

1) Необходимо сосредоточить усилия на создании практичной и надежной системы. Следует исследовать и разрабатывать эффективные технологии заполнения, чтобы эффективно сочетать операции по заполнению и горные работы. Следует уделять внимание управлению системой заполнения.

2) Исследование технологий, которые могут оптимизировать существующие системы, Исследовать распределение размеров частиц высококачественных заполняющих материалов, исследовать процесс подготовки заполняющего материала, который был улучшен в аспектах гидроциклонов и дробления, и исследовать технологию транспортировки, используемую для оптимизации заполняющих материалов, таких как потери давления, износ и коррозия, для оптимизации общей конструкции системы заполнения.

3) Усилить количественное понимание процессов подготовки, транспортировки, заполнения, загрузки и деформации заполняющих материалов, чтобы заложить основу для безопасной, стабильной и эффективной добычи. В настоящее время в международной практике используются следующие процессы заполнения: засыпка водой и песком, сухая засыпка, засыпка высоководной твердой массой и цементная засыпка. Цементная засыпка в свою очередь делится на: сегментную гидравлическую засыпку хвостов (высококонцентрированная самотечная транспортировка), гидравлическую засыпку других заполняющих материалов (высококонцентрированная самотечная транспортировка), самотечную засыпку полной пульпы хвостов и насосная засыпка полной пульпы хвостов. В настоящее время в международной практике рекомендуется насосная засыпка полной пульпы хвостов.

В настоящее время 12 шахт в Канаде применяют высококонцентрированную пульповую засыпку, а новые системы пульповой засыпки также были введены в эксплуатацию в Южной Африке и Австралии. Новая технология заполнения лучше отвечает требованиям охраны ресурсов, охраны окружающей среды, повышения эффективности и обеспечения развития горнодобывающей промышленности. Заполняющая добыча будет иметь более широкие перспективы в развитии горнодобывающей промышленности в XXI веке.

Добыча полиметаллических конкреций на больших глубинах

Полиметаллические конкреции расположены на морском дне на глубине около 3000-5000 м. Добыча требует осуществимых методов добычи. Поэтому страны мира уделяют приоритетное внимание разработке надежных методов добычи и проводят обширные экспериментальные исследования, некоторые даже проводят промежуточные эксперименты по добыче на больших глубинах. С конца 1960-х годов разработанные и испытанные в международном масштабе методы добычи полезных ископаемых в океане в основном делятся на три категории: метод добычи с помощью непрерывной ковшовой линии (CLB), метод добычи с помощью дистанционно управляемого подводного аппарата (ROV) и метод добычи с помощью подъема жидкости.

1) Метод добычи с помощью непрерывной ковшовой линии (CLB). Этот метод был предложен японцами в 1967 году. Этот метод относительно прост, в основном состоит из добывающего судна, буксировочного троса, ковша и буксира. Через определенный интервал ковш привязывается к буксировочному тросу и помещается на морское дно. Под воздействием буксира буксировочный трос несет ковш, выполняя движения вниз, зачерпывания и вверх. Эта бесступенчатая канатная циклическая операция образует непрерывный цикл сбора. Основная особенность CLB заключается в том, что он может адаптироваться к изменениям глубины воды и поддерживать нормальную работу. Однако производительность метода CLB может достигать только 100 т/сут, что далеко не отвечает требованиям промышленной добычи. Поэтому метод добычи CLB был заброшен в конце 1970-х годов.

2) Метод добычи с помощью дистанционно управляемого подводного аппарата (ROV). Этот метод был предложен в основном французами. Подводный аппарат ROV — это беспилотный подводный горнодобывающий аппарат, состоящий в основном из четырех основных систем: механизма сбора руды, самоходного механизма, системы управления плавучестью и балласта. Под контролем материнского судна на поверхности горнодобывающий аппарат погружается на морское дно для сбора конкреций по указаниям. После того как конкреции заполнены, он всплывает на поверхность и направляется к материнскому судну для разгрузки конкреций. Материнское судно на поверхности обычно может управлять несколькими горнодобывающими аппаратами для одновременной работы. Этот метод требует больших инвестиций в горнодобывающую систему и низкой стоимости продукции. Без экономической выгоды в течение десятилетий Французская ассоциация по исследованиям и разработкам океанических конкреций прекратила исследования в 1983 году, но принцип добычи и транспортировки этого горнодобывающего аппарата считается многообещающей технологией сбора.

3) Метод добычи с помощью подъема жидкости. В настоящее время метод добычи с помощью подъема жидкости признан более международным и имеет самые многообещающие перспективы промышленного применения. После того как добывающее судно прибывает в район добычи, сборщик руды и подъемная труба соединяются и постепенно опускаются в море. Сборщик руды используется для сбора конкреций из морских донных отложений и проведения предварительной обработки. Вода в трубе перемещается вверх с достаточной скоростью за счет гидравлического или пневматического подъема, транспортируя конкреции на добывающее судно на поверхности.

С наступлением XXI века человечество будет осваивать и использовать океан, и технологии глубоководной добычи особенно важны. Развитие современных высоких и новых технологий создало мост для освоения глубоководных ресурсов. Его формирование и развитие окажут позитивное и глубокое влияние на мировую океаническую экономику, культуру и осведомленность человека об океане.

Помимо шести упомянутых выше аспектов, тенденция развития горнодобывающей техники на зарубежных рудниках также включает в себя все более совершенную технологию добычи с естественным обрушением, и ее применение постоянно расширяется. Кроме того, в области бурения и взрывных работ появилось большое количество новых технологий, а горная механика и горное дело стали самостоятельной дисциплиной. Она играет все более важную роль в строительстве и производстве шахт.