Перед тем, как продолжить наши рассуждения об основах обогащения полезных ископаемых, следует запомнить три очень важные особенности процессов механического обогащения руд, вытекающие из особенностей их строения, а также из сегодняшнего уровня развития техники и технологии.
Первая особенность: поскольку нам предстоит теми или иными физическими способами сконцентрировать интересующие нас полезные компоненты руды в концентраты, мы вынуждены разрушить добытые в горных цехах крупные куски прочной руды размером 1-1,5 метра до крупности слагающих их минеральных зерен, то есть до долей миллиметра. Таким образом, изначально это крайне энергетически затратная операция. По данным технического комитета ООН на цели механического разрушения руд человечество расходует до 16% всей генерируемой энергии, то есть на эти цели тратится каждый шестой киловатт-час электроэнергии.
Вторая особенность: поскольку содержание полезных компонентов в сегодняшних рудах очень небольшое – первые проценты или даже доли процентов, то большая часть переработанной руд вынуждена переходит в категорию промышленных отходов, не находящих дальнейшее полное применение, но которую необходимо складировать со всеми экологическими предосторожностями. Таким образом, горно-перерабатывающая промышленность – это крупнейший загрязнитель окружающей среды.
Третья особенность: задачи обогащения руд не решаются каким-либо одним техническим приемом или одной технологической машиной. Это всегда сумма технологий, реализуемая в виде технологических схем и последовательности применяемых аппаратов. Не верьте тем, кто говорит: «у нас есть замечательная дробилка, использование которой решит все ваши задачи» или «у нас есть уникальная база данных, интегрированная в систему искусственного интеллекта, позволяющая одним техническим приемом или одним нажатием клавиши на компьютере достичь желаемых результатов».
Таким образом, весь цикл первичной переработки руды – от горного цеха до складирования неизбежных отходов весьма своеобразный.
Как говорил великий театральный режиссер Константин Станиславский – «театр начинается с вешалки». Он почему-то не добавил, что вешалкой театр и заканчивается. А наш спектакль весьма драматически заканчивается поистине гигантским образованием отходов. А начало нашего спектакля – это горные цеха горно-обогатительных и горно-металлургических комбинатов.
Природа так устроена, что месторождения полезных ископаемых могут располагаться или под земной поверхностью, иногда на глубине в сотни метров, или иногда выходят на земную поверхность (здесь геологи использует термин «дневная поверхность»).
Немного о терминологии
Как правило, рудные тела, слагающие месторождения полезных ископаемых, имеют размытые границы с постепенным уменьшением содержания полезных компонентов к границам рудного тела, поэтому в описании месторождения, помимо перечня природных параметров, таких как распределение ценных компонентов по месторождению, их минеральная форма и характеристика вмещающих пород, существует такой важный характеристический параметр, как понятие бортового содержания ценного компонента. Бортовое содержание – это не чисто геологический параметр, а технико-экономический, который характеризует предельно низкое содержание полезного компонента (или полезных компонентов), за границами которого добыча и переработка руды будет нерентабельной с точки зрения существующего уровня развития технологий.
Старт эксплуатации месторождения может быть дан только после составления комплексного проекта освоения месторождения и согласования его с уполномоченными государственными органами, после прохождения государственной экспертизы.
Большинство современных горных предприятий имеют в своем составе горные цеха, в которых добывается рудое сырье, и обогатительные цеха (обогатительные фабрики), на которых проходит концентрирование полезных (целевых) минералов механическими методами. Такие предприятия в российской практике называют горно-обогатительными комбинатами (ГОК). Если в состав предприятия входят также металлургические или химические цеха, то такие комплексные предприятия называют горно-металлургическими или горно-химическими комбинатами (ГМК, ГХК).
Современные обогатительные фабрики – это высокомеханизированные и автоматизированные предприятия с высокой производительностью труда на одного работающего. Объем переработки руды на самых крупных обогатительных фабриках составляет десятки миллионов тонн в год.
Угольные предприятия, на которых ведется подземная добыча и в составе которых даже имеется обогатительная фабрика, по традиции называют шахтами, а аналогичные предприятия, в которых добыча угля осуществляется открытым способом в карьере, называют разрезами.
Предприятия, которые осуществляют добычу минерального строительного сырья и производство из него строительного щебня, обычно называют карьеро-управлениями, а обогатительные фабрики в их составе называют дробильно-сортировочными.
Основные типы залегания месторождений полезных ископаемых
По своему строению месторождения делятся на три основных типа залегания: изометрические, плоские и вытянутые по одному направлению.
Форма залегания месторождений имеет важное значение для процессов добычи и переработки полезных ископаемых, поскольку определяет не только технические решения по извлечению сырья из природных недр, но напрямую связана с количеством пустой породы, которая будет попутно добыта при отработке месторождения.
Изометрические тела полезных ископаемых – скопления минерального вещества примерно равновеликие во всех направлениях. Наиболее распространенный тип изометрических месторождений – штокверк.
Штокверк - это некоторый объем горных пород с рудной минерализацией в виде вкрапленности, часто с многочисленными мелкими разно-ориентированными прожилками. Штокверки образуются преимущественно в результате интрузии магмы и ее последующих геологических преобразований. Штокверки могут находиться, как в толще земной коры, так и выступать из нее в виде гор.
Крупнейший наземный штокверк – месторождение вольфрамо-молибденовой руды на Северном Кавказе.
Плоские тела полезных ископаемых – характеризуются двумя протяженными и одним коротким направлением. Типичными видами плоских тел являются пласты и жилы. Пласты и жилы могут быть горизонтально ориентированными или наклонными.
Пласты - плоские тела полезных ископаемых, образовавшиеся в древних водных бассейнах синхронно с вмещающими осадочными породами. Типичными представителями пластовых тел являются месторождения каменного угля.
В общем случае, если месторождение залегает неглубоко от поверхности, то его разрабатывают открытым способом, а при глубоком залегании – подземным. При подземном способе разработки с поверхности проходят вертикальный или слабонаклонный шахтный ствол, от которого проводят горизонтальные выработки (штреки), разбивающие месторождение по вертикали на этажи. Через шахтный ствол с помощью подъемных механизмов добытая руда транспортируется на поверхность. В некоторых случаях, когда рудное тело выдается над поверхностью земли в виде горы, некоторые горизонтальные выработки могут выходить на дневную поверхность (склон горы). В таком случае они называются штольнями. Отбитую руду из таких выработок транспортируют не путем подъема, а наоборот, путем вывоза «под уклон» или сброса по специальным вертикальным или слабонаклонным выработкам – рудоспускам, высота которых может достигать нескольких сотен метров.
По горнотехническим условиям максимальная крупность кусков руды, добываемой подземным способом, составляет 400-500 мм, а угля – не более 200 мм.
При открытом способе разработки месторождение разбивают на горизонтальные слои, предварительно сняв верхний слой пустой породы (вскрышу). Так как обыкновенно экскаваторами одновременно отрабатывают несколько слоев, то карьер приобретает ступенчатую форму, а одна такая ступенька называется уступом. Для вывоза руды с экскаваторных площадок применяют железнодорожный, автомобильный, конвейерный транспорт или комбинацию автомобильного и конвейерного транспорта. Расширение бортов карьера в процессе эксплуатации сопровождается дополнительными вскрышными работами. По горнотехническим условиям максимальная крупность кусков руды, добываемой открытым способом, может достигать 1000-1500 мм. Крупность угля, добываемого открытым способом, существенно меньше и составляет первые сотни миллиметров.
В тех случаях, когда рудное тело выдается над поверхностью земли в виде горы и отрабатывается открытым способом, карьер приобретает форму не огромной «ямы» с уступами, а ступенчатой пирамиды, которую «объедают» с одной или с нескольких сторон.
Открытые горные работы
Погрузочно-доставочная машина в подземном руднике
Сравнивая особенности открытых и подземных горных работ, надо отметить меньшую стоимость руды, добытой открытым способом, большую крупность отбитых кусков и несколько более высокую вероятность засорения (разубоживания) товарной руды пустой породой, чем при подземных работах. Открытые горные работы безопаснее подземных работ и многократно безопаснее подземных работ при добыче каменного угля, особенно на месторождениях, склонных к выделению взрывоопасного метана.
Из приведенных данных следует, что геологическая структура месторождений, условия залегания руды и методы ее добычи определяют крупность добытой руды, степень ее разубоживания, неравномерность ее поступления с рудников и ряд других факторов, которые непосредственно влияют на последующие процессы переработки минерального сырья и, в конечном счете, определяют технико-экономические показатели обогащения.