Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание комплексной инновационной геотехнологии подземной добычи и переработки высокоценного кварца. Выбор направлений исследований

Докладчик: Соколов Игорь Владимирович

Должность: Заведующий лабораторией подземной геотехнологии, д-р техн. наук

Цель проекта:
Кыштымское месторождение высокоценного кварца, разрабатываемое ОАО «Кыштымский горно-обогатительный комбинат» (Индустриальный партнер), является единственным в России стабильным источником сырья для производства инновационных материалов (кварцевое стекло, специальная керамика, продукция двойного назначения) для электронной, оптической, светотехнической промышленности, наноиндустрии и солнечной энергетики. В настоящее время производится опытно-промышленная разработка верхней части запасов камерно-целиковой системой под изолирующим от карьера целиком, характеризуемой большими потерями балансовых запасов кварца (29,6%). При отбойке под действием взрыва переизмельчается и становится некондиционным еще 15,6% балансовых запасов кварца. Таким образом, общие потери балансовых запасов кварца при добыче достигают 45,2%. Кроме того, применяемые методы рудоподготовки и технологии обогащения обеспечивают сквозной выход высокочистых кварцевых концентратов лишь в пределах 21-24% от извлекаемых балансовых запасов кварца. Соответственно резко сокращается сырьевая база предприятия и срок эксплуатации уникального месторождения. Таким образом, решение проблемы кардинального снижения потерь в недрах и повышения сквозного выхода высокочистых кварцевых концентратов заключается в научном обосновании, разработке и последующем внедрении эффективной комплексной геотехнологии подземной добычи и переработки кварца, обеспечивающей кардинальное снижение потерь и повышение выхода высокочистых концентратов. Цель проекта - разработка комплексной геотехнологии подземной добычи и переработки высокоценного кварца, обеспечивающей кардинальное снижение потерь в недрах и повышение сквозного выхода высокочистых кварцевых концентратов. Конечный продукт проекта - комплексная геотехнология подземной добычи и переработки высокоценного кварца. Место и роль проекта в решении проблемы состоит в создании востребованного научно-технологического задела для выполнения опытно-технологических работ и промышленного внедрения высокоэффективной комплексной геотехнологии подземной добычи и переработки высокоценного кварца.

Основные планируемые результаты проекта:
Основные научные и научно-технические результаты
1 Научно-технологические основы комплексной геотехнологии подземной добычи и переработки высокоценного кварца: методика оценки действия взрыва плоских систем зарядов; методика определения рациональных методов рудоподготовки кварцевого сырья; экспериментальный образец рентгенрадиометрического сепаратора.
2 Технологические и технические решения комплексной геотехнологии подземной добычи и переработки высокоценного кварца, включающей технологию отработки наклонного месторождения кварца, технологию взрывной отбойки кварца и технологию рудоподготовки кварцевого сырья.
3 Лабораторный технологический регламент на комплексную геотехнологию подземной добычи и переработки высокоценного кварца.
4 Проект технического задания на проведение ОТР «Создание ресурсосберегающей технологии комплексного освоения месторождений кварца».
Основные характеристики планируемых результатов:
1 Комплексной геотехнологии подземной добычи и переработки высокоценного кварца:
- потери кварца в недрах не более 12-14% от балансовых запасов;
- разубоживание руды не более 13-14% от балансовых запасов.
- выход фракции кварца класса минус 20 мм (некондиционной) при добыче не более 10-14%;
- выход негабарита не более 7-10%;
- выход некондиционного кварца класса минус 5 мм при рудоподготовке не более 10-12%;
- выход высокочистых кварцевых концентратов не менее 46-52% от промышленных запасов.
2 Экспериментального образца рентгенорадиометрического сепаратора:
- повышение быстродействия работы исполнительного механизма на 10-15%;
- увеличение разрешающей способности блока детектирования за счет использования полупроводникового датчика на 10-15%;
- увеличение селективности разделяемых минералов на 15-17%;
- применение сжатого воздуха в приводе исполнительного механизма;
- повышение производительности по машинному классу на 25-30%.
Оценка элементов новизны научных (технологических) решений.
Новизна научных результатов предполагается в разработке методики оценки действия взрыва плоских систем зарядов при отбойке кварца и методики определения рациональных методов рудоподготовки кварцевого сырья. Новизна технических и технологических решений комплексной геотехнологии подземной добычи и переработки высокоценного кварца предполагается в создании новой комбинированной системы разработки, технологии взрывной отбойки и экспериментального образца рентгенрадиометрического сепаратора, обеспечивающих требуемые характеристики. При выполнении проекта высока вероятность разработки охраноспособных РИД.
Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.
В настоящий момент мировой уровень технологии добычи и переработки высокочистого кварца определяется несколькими крупными производителями – компания Unimin (США), компания Norwegian Cristallites (Норвегия), ОАО «КГОК», ОАО «Полярный кварц» (Россия). В результате аналитического обзора современной научно-технической, нормативной, методической литературы и патентных исследований установлено, что компания Unimin (США) разрабатывает месторождения исключительно открытым способом. Компания Norwegian Cristallites (Норвегия) разрабатывает месторождение Nedre Oyvollen Pegmatite подземным способом, по которому технические показатели технологии добычи и переработки высокоценного кварца не опубликованы.(установлены).
ОАО «Полярный кварц» подземным способом разрабатывает месторождение Додо поэтажными выработками (щтреками, ортами) с использованием деревянного крепления с показатели извлечения: потери 20-25 %, разубоживание 25-35 %. На обогатительной фабрике в г. Нягань производство особо чистых кварцевых концентратов, сравнимых по качеству с продукцией ОАО «КГОК», до настоящего момента не освоено.
Месторождение кварцевого сырья «Желанное» (Республика Коми) разрабатывается ЗАО «Кожимское разведочно-добычное предприятие» подземным способом. Отходы при получении сортового жильного кварца и горного хрусталя достигают 58-73 %. Проект по отработке запасов центральной части месторождения предусматривает реконструкцию шахты для добычи больших объемов кварцевой руды с целью ее переработки для получения особо чистого кварца и кремния. Реализация данного проекта возможна после выполнения широкого спектра технологическими исследований по добыче переработке кварца.
Сопоставление заявленных результатов проекта с известными показателями ведущих производителей высокочистого кварца, определяющими мировой уровень, показывает их соответствие или превосходство в технологии подземной добычи и переработки.
Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски.
Путями достижения заявленных результатов являются изыскания:
- комбинированной системы разработки наклонного месторождения кварца, обеспечивающей радикальное снижение потерь балансовых запасов кварца в недрах в 2 раза;
- технологии буровзрывных работ, обеспечивающей снижение выхода фракции кварца класса минус 20 мм на 25%;
- методов рудоподготовки сырья путем комплексирования процессов грохочения, рентгенорадиометрической и оптической сепарации, обеспечивающих использование кварца класса минус 5 мм и снижение выхода некондиционного кварца на треть.
Способы достижения заявленных результатов предполагают использование комплексного метода исследований и включают:
- аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы по подземной разработке наклонных рудных тел, взрывной отбойке кварца и переработке кварцевого сырья;
- патентные исследования по подземной разработке наклонных рудных тел, взрывной отбойке кварца и переработке кварцевого сырья в соответствии с ГОСТ 15.011-96;
- анализ и систематизация горно-геологических, горнотехнических и геоэкономических условий подземной добычи и переработки высокоценного кварца, определение области и объектов возможного тиражирования разрабатываемой комплексной геотехнологии;
- изыскание путей повышения сквозного выхода кварца и установление научно-технологических основ комплексной геотехнологии подземной добычи и переработки высокоценного кварца;
- исследование напряженно-деформированного состояния и прогноз развития процессов сдвижения массива горных пород с оценкой влияния на объекты поверхности при подземной отработке наклонного месторождения кварца;
- теоретическое обоснование параметров и конструирование рациональных вариантов технологии отработки наклонного месторождения кварца;
- изучение влияния параметров буровзрывных работ и энергетики взрыва на выход переизмельченной фракции кварца;
- конструирование рациональных технологических схем рудоподготовки на основе комплексирования процессов грохочения, радиометрической и оптической сепарации;
- математическое моделирование технологий отработки наклонного месторождения кварца, взрывной отбойки и рудоподготовки кварца;
- разработка эскизной конструкторской документации и изготовление экспериментального образца рентгенрадиометрического сепаратора;
- разработка программы и методики экспериментальных исследований в натурных условиях комплексной геотехнологии подземной добычи и переработки высокоценного кварца;
- разработка программы и методики исследовательских испытаний экспериментального образца рентгенрадиометрического сепаратора;
- экспериментальные исследования комплексной геотехнологии подземной добычи и переработки высокоценного кварца в натурных условиях Кыштымского рудника по разработанной программе и методике;
- исследовательские испытания экспериментального образца рентгенрадиометрического сепаратора в натурных условиях Кыштымского рудника по разработанной программе и методике;
- обобщение и оценка эффективности, сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований комплексной геотехнологии подземной добычи и переработки высокоценного кварца;
- разработка лабораторного технологического регламента на комплексную геотехнологию подземной добычи и переработки высокоценного кварца;
- оценка РИД, полученных при выполнении ПНИ, с целью их вовлечения в хозяйственный оборот.
Ограничения и риски достижения заявленных результатов
При выполнении Этапа 1 «Выбор направлений исследований», Этапа 2 «Теоретические исследования и разработка технологических решений», Этапа 3 «Моделирование объектов исследования и изготовление экспериментального образца, разработка технической документации» ограничения и риски достижения заявленных результатов минимальны и связаны только с отсутствием финансирования проекта. Предпосылками минимизации рисков здесь можно считать значительный опыт ИГД УрО РАН в выполнении исследований технологии подземной разработки Кыштымского месторождения и ЗАО «Научно-производственная компания «Техноген» (Соисполнитель) в создании технологии рентгенорадиометрического обогащения минерального сырья на базе рентгенорадиометрических сепараторов.
Ограничения и риски возникают при выполнении Этапа 4 «Проведение экспериментальных исследований» в натурных условиях Кыштымского рудника и включают:
- риски природного характера, связанные с недостаточной изученностью строения рудного тела, повышенным горным давлением в конструктивных элементах системы разработки, вызванным сложной геомеханической обстановкой, снижением качества кварца в недрах;
- риски технического характера обусловлены возможным несоответствием применяемого технологического оборудования горно-геологическим условиям экспериментального участка;
- риски организационного характера связаны с деятельностью Индустриального партнера – приостановка его деятельности, нарушение сроков подготовки экспериментальных участков и проведения экспериментов, регламентируемых План-графиком выполнения ПНИ.
Риск не достижения заявленных результатов оцениваем как приемлемый.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Область применения планируемых результатов
Научно-технологические основы комплексной геотехнологии подземной добычи и переработки высокоценного кварца могут использоваться академическими и отраслевыми научными институтами и вузами в области исследований подземной геотехнологии и переработки кварцевого сырья. Технологические и технические решения, технологический регламент и проект технического задания на проведение ОТР «Создание ресурсосберегающей технологии комплексного освоения месторождений кварца» могут применяться проектными и эксплуатирующими организациями, осуществляющими деятельность в области проектирования, добычи и переработки кварцевого сырья.
Практическое внедрение планируемых результатов, перспективы их использования
Практическое внедрение технологии отработки наклонного месторождения и технологии взрывной отбойки кварца предполагается при освоении жилы № 175 Кыштымского месторождения в этажах 316/346 м и 316/ 216 м. Практическое внедрение рентгенорадиометрической сепарации предполагается при переработке кварцевого сырья Кыштымского, Кузнечихинского, Вязовского и Аргазинского месторождений на обогатительной фабрике ОАО «Русский кварц».
Перспективы использования технических результатов, в том числе РИД, связаны с подземной разработкой кварцевых месторождений, осваиваемых ОАО «КГОК» (в первую очередь Кыштымское, в перспективе Кузнечихинское, Вязовское и Аргазинское) и другими предприятиями, с аналогичными горно-геологическими и горнотехническими условиями, требованиями к качеству сырья (Неройское, Желанное, Светлореченское и др.). Конструкция создаваемого образца рентгенорадиометрического сепаратора универсальна и должна иметь потенциал для использования на горных предприятиях с аналогичными требованиями к качеству исходного сырья и концентратов (ОАО «Кыштымский ГОК», ООО «Русский кварц», ОАО «Полярный кварц» (Россия), ЗАО «КРДП», компания Unimin (США), компания Norwegian Cristallites (Норвегия) и др.).
Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений производства
Создаваемая комплексная геотехнология подземной добычи и обогащения может быть использована для обеспечения перспективных инновационных проектов освоения месторождений со сходными горно-геологическими, горнотехническими условиями и требованиями к качеству продукции. Внедрение созданной технологии позволит:
- кардинально (в 2 раза) снизить потери кварца в недрах и повысить сквозной выход высокочистого кварцевого концентрата более чем в 1,5 раза;
- увеличить сырьевую базу ОАО «КГОК» для производства высокочистых кварцевых концентратов в 1,4-1,5 раза за счет более эффективного использования природного сырья;
- продлить на 18-20 лет срок жизни уникального Кыштымского месторождения высокоценного дефицитного кварца;
- надежно обеспечить высокочистыми кварцевыми концентратами инновационные отрасли Российской промышленности для производства принципиально новых базовых материалов (кварцевое стекло, специальная керамика, продукция двойного назначения) для электронной, оптической, светотехнической промышленности, наноиндустрии и солнечной энергетики;
- получить востребованное количество экспортной продукции;
- увеличить производство кварцевого стекла в РФ и Таможенном Союзе на 20% (ГУП «Лисма» (Мордовия), з-д им. Дзержинского (г. Гусь-Хрустальный), ПО «Коралл» (Республика Беларусь).
Планируемые результаты положительно повлияют на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, развитие системы демонстрации и популяризации науки при соответствующих мероприятиях.

Текущие результаты проекта:
1 Установлено, что при отработке наклонных рудных тел снижение потерь кварца в недрах связано с оптимизацией параметров систем разработки с открытым очистным пространством, модернизацией днищ, схем подготовки, отбойки и выпуска руды.
2 Нормативная база решения геомеханических задач в целом удовлетворяет требованиям расчетов параметров систем разработки. Но при этом для установления граничных условий в расчетных схемах требуется определение фактических значений напряженно-деформированного состояния (НДС) горного массива. Формирование вторичного НДС происходит в условиях комбинированной разработки Кыштымского месторождения, специфика которого обусловлена горным рельефом местности, в залегании жилы непосредственно под возвышенностью, в ограниченных размерах жилы.
3 Научными задачами являются изыскание вариантов систем разработки, сочетающих системы с открытым очистным пространством и с обрушением руды, исследование влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на показатели полноты выемки запасов кварца.
4 Установлено, что решение проблемы повышения выхода высокоценного кварца при взрывной отбойке связано с рациональным распределением и диссипацией энергии взрыва в горной среде, прогнозированием параметров разрушения и гранулометрического состава взорванных горных пород, свойствами применяемых взрывчатых веществ и конструкции зарядов.
5 Сделан вывод, что закономерности взрывного разрушения кварцевого массива идентичны общим закономерностям взрывания скальных горных пород. Но все проанализированные источники по дезинтегрированию горного массива посвящены действию взрыва одиночного заряда взрывчатого вещества, что характерно для шпуровой отбойки и взрывных работ на карьерах. При промышленной отбойке кварца при подземной добыче применяются скважинные заряды, расположенные в одной плоскости и инициируемые одновременно (плоская система зарядов). Действие такой системы на горный массив изучено недостаточно, методики расчета параметров взрыва с целью получения заданного дробления руды нет.
6 Определено, что увеличения выхода кондиционного кварца при взрывной отбойке можно добиться за счет: оптимизации параметров плоской системы зарядов (сетки расположения и диаметра скважин, порядка инициирования зарядов); применения взрывчатых веществ с пониженной бризантностью; соответствующей конструкции скважинных зарядов. Научными задачами являются исследования дробящего действия взрыва плоской системы зарядов, выбора соответствующих взрывчатых веществ и определение рациональной конструкции скважинных зарядов для отбойки кварца.
7 Получение кварцевых концентратов в мировой практике в принципе происходит по сравнимым схемам подготовки и последующего обогащения, но в зависимости от типа кварца, его качества эти схемы могут существенно отличаться. Эти различия в основном связаны с режимами и условиями процессов магнитной и электростатической сепарации, флотации, гравитации. Основные трудности связаны с очисткой кварца от структурных примесей. Установлено, что проблема получения высокочистых кварцевых концентратов в полной мере не решена. Необходимо проведение исследований и испытаний по переработке кварцевого сырья на стадии рудоподготовки и предварительного обогащения, в том числе включая различные методы радиометрической сепарации (рентгенорадиометрической и фотометрической).
8 Исследования комбинированных систем разработки, дробящего действия взрыва плоской системы зарядов, методов радиометрической сепарации (рентгенорадиометрической и фотометрической) и полученные на их основе технические решения будут обладать несомненной новизной. При использовании результатов исследований высока вероятность разработки охраноспособных РИД.
9 Полученные результаты соответствуют техническим требованиям первого этапа выполняемого проекта «Выбор направлений исследований» и подтверждают перспективность продолжения работ по проекту.