Последние достижения в ключевых технологиях для подземной добычи металлов.
Подземная добыча руды представляет собой сложную систему, включающую разработку, подготовку забоев (определение и создание рудных залежей) и извлечение руды, при этом взрывные работы необходимы на каждом этапе. Поэтому обеспечение безопасных и эффективных взрывных работ является центральной задачей исследований для горных инженеров. В настоящее время рудники находятся в критическом переходном периоде от неглубоких к глубоким выработкам, от простых к сложным условиям и от высококачественной руды к низкокачественной, что создает новые задачи для теории, технологий и оборудования. Поэтому исследования ключевых технологий подземной добычи стали особенно важными. Современные достижения сосредоточены в пяти областях: бурение и взрывные работы, транспортировка и подъем материалов, укрепление горных пород, заполнение пастообразным раствором и дистанционное управление. В данном обзоре обобщены разработки и последние достижения в каждой из этих областей.
Бурение и взрывные работы остаются ключевыми технологиями в металлургической промышленности, но исторически также являлись слабым звеном. Повышение эффективности бурения и взрывных работ имеет решающее значение для безопасной и продуктивной подземной добычи полезных ископаемых. Со временем отрасль прошла путь от ручного бурения к пневматическим и гидравлическим буровым установкам, к буровым установкам большого диаметра (включая роторные и погружные буровые установки), а теперь и к буровым роботам. Тенденция смещается от простой механизации к автоматизации, интеллектуальным системам и защите окружающей среды.
В стране и за рубежом разработано множество буровых установок, адаптированных к различным грунтовым условиям. В последние годы, благодаря усовершенствованному буровому оборудованию, некоторые страны (в частности, США и Канада) адаптировали крупномасштабные методы бурения/взрывных работ открытым способом для подземного применения: сегментированные скважины средней глубины в некоторых случаях были заменены на многоступенчатые скважины большого диаметра, что дало благоприятные результаты. Например, Швеция разработала ряд туннельных буровых установок большой грузоподъемности с высокой эффективностью бурения, повышенной безопасностью и меньшим загрязнением окружающей среды; внутри страны были разработаны полностью управляемые компьютером трехрычажные буровые установки большой грузоподъемности, которые объединяют в себе мобильность, бурение и подачу материалов, обеспечивая простоту эксплуатации, высокую безопасность и снижение затрат. Эти системы повышают качество и эффективность бурения, одновременно снижая трудозатраты и операционные риски, способствуя автоматизации, интеллектуальным функциям и улучшению экологических показателей.
Поскольку подземные условия и требования к выемке грунта и добыче полезных ископаемых различаются, методы взрывных работ остаются разнообразными. Широко используются такие методы, как взрывные работы с малым дифференциальным зарядом, взрывные работы с разбрызгиванием и контурные (гладкие) взрывные работы, которые во многих случаях позволяют улучшить результаты взрывных работ.
Технология взрывных работ развивается в направлении высокоточных, экологически чистых и интеллектуальных взрывных работ. Высокоточные взрывные работы основаны на усовершенствованной схеме расположения скважин, детальных исследованиях энергии взрывчатых веществ и моделировании взрыва для достижения целенаправленного разрушения горных пород. Экологически чистые взрывные работы используют новые воспламеняющие вещества вместо традиционных взрывчатых веществ, что исключает вредные взрывные газы и значительно улучшает качество воздуха под землей. Интеллектуальные взрывные работы объединяют в себе продуманную схему взрыва, интеллектуальное оборудование, прогнозирующее моделирование вибрации и автоматическое определение незаряженных скважин для создания интеллектуальной системы взрывных работ.
Помимо взрывных методов, все большее внимание привлекают невзрывные технологии разрушения горных пород. Для механической выемки среднетвердых и мягких пород используются проходческие комбайны, обеспечивающие высокую производительность и благоприятные условия для контроля состояния грунта. Физические методы дробления, такие как струйная обработка водой под высоким давлением и термическое дробление, позволяют преодолеть некоторые ограничения чисто механической резки, производя мало пыли и не образуя искр, а также улучшая условия труда. Однако высокое энергопотребление, высокая стоимость и сильный износ инструмента сдерживают их широкое внедрение. Кроме того, развитие информационных технологий и технологий искусственного интеллекта в стране началось позже, чем в некоторых других странах, поэтому ключевые интеллектуальные системы для непрерывной добычи твердых пород по-прежнему в значительной степени зависят от зарубежных технологий. В результате непрерывная добыча твердых пород еще не получила широкого распространения внутри страны.
Транспортировка и подъем материалов. Транспортные и подъемные системы имеют решающее значение для подземной добычи, интегрируя процесс добычи в непрерывную систему и обеспечивая нормальную работу. Транспортировка руды эволюционировала от ручных методов к рельсовым системам, а затем к безрельсовым (на резиновых колесах) системам; в настоящее время наблюдается тенденция к использованию безрельсового оборудования в качестве основного вида транспорта, а гусеничных систем — в качестве второстепенных, что обусловлено развитием и совершенствованием безрельсового подземного оборудования с 1960-х годов.
Для транспортировки руды на короткие расстояния внутри выработок обычно используются погрузчики, которые отличаются удобством в эксплуатации, надежной работой, высокой производительностью и маневренностью. Для транспортировки руды на большие расстояния под землей обычно используются самосвалы; они широко используются за рубежом, но реже — внутри страны. По мере увеличения глубины добычи увеличивается и расстояние подъема, а технологии подъема сталкиваются с большими трудностями, наряду с ростом стоимости подъема руды. Поэтому разработка технологий подъема руды в глубоких шахтах приобретает все большее значение. Общая тенденция направлена к созданию более крупных систем с большей грузоподъемностью и большей автоматизацией.
В глубокой добыче полезных ископаемых многие операции сочетают железнодорожный транспорт, ленточные конвейеры или безрельсовые погрузчики с многоступенчатым подъемом руды по шахтам. Например, на золотодобывающем руднике ТауТона в Южной Африке используется трехступенчатая система подъема руды по шахтам с перемещением между шахтами с помощью конвейера или безрельсового оборудования. Традиционные открытые ленточные конвейеры просты по конструкции, но склонны к образованию пыли и ее просыпанию, что загрязняет подземный воздух и снижает безопасность; кроме того, они плохо справляются с подъемом в гору. Более новые закрытые ленточные конвейерные системы, такие как закрытая конструкция, разработанная компанией SiCON, предотвращают просыпание и образование пыли, обеспечивают скорость транспортировки более 3 м/с и позволяют работать на склонах до 36°. При соответствующей адаптации такие системы перспективны для транспортировки руды в глубоких шахтах.
Гидравлический (водяной) подъем в основном используется в глубоководных условиях, и некоторые исследователи изучали его применение в глубоких шахтах, поскольку он позволяет осуществлять непрерывную работу и упрощает автоматизацию. Однако применение гидравлического подъема под землей потребовало бы наличия на месте систем измельчения (дробилки и помола) на большой глубине, что затрудняет его практическую реализацию в настоящее время. Были также предложены инновационные концепции, такие как магнитные лифты для подъема руды, но они требуют дальнейших детальных исследований. Эти новые технологии и концепции придают новый импульс транспортировке и подъему в шахтах, стимулируя инновации в методах и оборудовании.
Укрепление горных пород. Укрепление горных пород в рудниках, где добываются руда, направлено на слабые, трещиноватые и высоконапряженные пласты. Системы крепления подразделяются на пассивные и активные. Пассивные крепления (деревянные, каменные, стальные арки) не могут изменять внутреннюю структуру породы и лишь препятствуют деформации. Активные крепления модифицируют горную породу для повышения ее внутренней прочности — к примерам относятся анкерные болты и тросовые болты, анкеры, заполненные смолой или цементом, торкрет-бетон с сеткой, а также комбинированные системы, такие как болты в сочетании с торкрет-бетоном и сеткой. Среди них комбинации анкерных болтов, заполненных цементом, и торкрет-бетона стали основными методами укрепления грунта в рудниках, где добываются руда.
Использование анкерных болтов по всей длине и болтов с клеевым соединением в сочетании для создания систем анкеровки по всей длине значительно повысило прочность крепления и демонстрирует большой потенциал для применения в полевых условиях. Технология торкретирования эволюционировала от сухого напыления смесей к влажному напылению, что улучшило условия работы и уменьшило отслаивание породы. Сочетание торкретирования с анкерными болтами эффективно ограничивает свободную деформацию окружающей породы, перераспределяет напряжение и предотвращает отслаивание поверхности и камнепады.
Развитие механизации и оборудования ускоряет внедрение современных систем болтового и торкрет-бетона. На международном уровне разработаны различные болтораспределительные устройства, установки для мокрого напыления и машины для подвешивания сетки. Внутри страны разработаны болтораспределительные устройства на колесах и гусеничном ходу, горнодобывающие машины для мокрого напыления и двухрычажные установки для мокрого напыления бетона, что повышает эффективность, снижает трудозатраты и улучшает безопасность — продвигая механизацию и делая первые шаги к интеллектуальному управлению. После нескольких технологических итераций армирование горных пород перешло от пассивных методов с одной опорой к активным комбинированным методам; ожидается, что в будущем развитие будет делать упор на механизацию и интеллектуальные решения для дальнейшего повышения безопасности и производительности.
Заполнение пастообразным раствором. Твердые отходы горнодобывающей промышленности, загрязнение воды и воздуха, а также занятие земель представляют собой серьезные экологические проблемы. Технология и оборудование для заполнения пастообразным раствором в горнодобывающей промышленности предлагают перспективный подход к решению этих проблем. Заполнение пастообразным раствором преобразует отходы обогащения и другие твердые отходы горнодобывающей промышленности в насыщенную, не выделяющую жидкость, похожую на зубную пасту структурную суспензию, которую можно использовать для заполнения выработок и хвостохранилищ, решая две основные проблемы — хранение отходов и пустоты в выработках — и одновременно поддерживая устойчивое развитие горнодобывающей промышленности.
По сравнению с традиционной гидравлической песчаной засыпкой, пастообразная засыпка обладает тремя «отсутствующими» характеристиками: отсутствием расслоения, расслоения и водоотделения. Создана промышленная испытательная платформа для пастообразной засыпки, занимающая площадь около 2000 м² и оснащенная более чем 200 единицами оборудования, обеспечивающая высокую точность, широкий функционал и интеллектуальное управление. Она позволяет проводить испытания всего процесса, измерять параметры и предоставлять рекомендации по инженерной практике. Примечательно, что многодиаметровые, многоориентационные, многопоточные петлевые системы испытаний обеспечивают результаты, которые лучше отражают полевые условия, чем многие традиционные методы.
Общим теоретическим фундаментом на всех этапах процесса заполнения пастообразным раствором является реология пасты. Исследования сосредоточены на конститутивных моделях реологии пасты с использованием теоретических расчетов, реологических экспериментов и численного моделирования для удовлетворения инженерных потребностей на четырех этапах процесса: загущение (концентрирование), смешивание, транспортировка и заполнение/отверждение. Загущение обеспечивает стабильную концентрацию при подтекании для получения качественной пасты; смешивание обеспечивает равномерное смешивание материалов для поддержания текучести и однородных механических свойств в трубопроводах; транспортировка направлена на снижение энергопотребления и износа; заполнение обеспечивает равномерное распределение прочности и высокую степень заполнения выработки и сцепления с висячими стенками. Эти четыре технологии соответствуют основным техническим проблемам заполнения пастообразным раствором. Технология заполнения пастообразным раствором, характеризующаяся безопасностью, экономичностью, защитой окружающей среды и эффективностью, является важной технической опорой для систем добычи полезных ископаемых в рамках концепции «зеленой» металлургической промышленности.
Дистанционное управление и автоматизация. Горнодобывающие технологии эволюционировали от ручного к механизированному, а теперь и к автоматизированным и интеллектуальным операциям. Технология дистанционного управления является ключевым фактором автоматизации и интеллектуализации и будет играть незаменимую роль в современной горнодобывающей промышленности. В глобальном масштабе дистанционное управление является зрелым направлением для подземных шахт и включает в себя дистанционное управление бурением, дистанционное управление погрузкой и разгрузкой руды, среди прочего. Однако широкое внедрение зависит от общей промышленной и технологической зрелости страны; полномасштабное внедрение внутри страны еще не произошло.
Ключевые технологии дистанционного управления сосредоточены на трех возможностях: дистанционное зондирование горной среды, дистанционное управление горными процессами и дистанционное управление горными системами. Вместе они обеспечивают автоматизированное восприятие и анализ, беспилотные операции, дистанционное диспетчерское управление, автоматическое раннее предупреждение и дистанционное принятие решений. Для реализации полностью автономной и дистанционно управляемой подземной добычи металлов необходимы дальнейшее развитие и интеграция систем зондирования, связи, управления и искусственного интеллекта.
Заключение. Совокупное развитие технологий бурения и взрывных работ, транспортировки и подъема, укрепления горных пород, заполнения пастообразными материалами и дистанционного управления меняет подход к подземной добыче металлов. Прогресс в области оборудования, материалов, управления технологическими процессами и цифровых систем способствует повышению безопасности, эффективности и устойчивости добычи. Продолжение исследований, полевых испытаний и интеграция интеллектуальных систем будут иметь решающее значение для решения задач, связанных с более глубокими, сложными и низкосортными месторождениями металлов.
