Подземная добыча руды – это проект системной инженерии, охватывающий разработку, подготовку забоев и извлечение руды, при этом взрывные работы необходимы на каждом этапе. Поэтому безопасные и эффективные взрывные работы остаются ключевой темой исследований для специалистов горнодобывающей промышленности.
Сегодня металлургическая промышленность находится в критической переходной фазе: от неглубоких к глубоким месторождениям, от простых к сложным условиям добычи, от высококачественных к низкосортным рудам. Этот сдвиг порождает совершенно новые вызовы в теории, технологиях и оборудовании. На этом фоне исследования ключевых технологий подземной добычи приобрели особое значение. В настоящее время основные достижения сосредоточены в пяти областях: бурение и взрывные работы, транспортировка и подъем, укрепление горных пород, засыпка пастообразным раствором и дистанционное управление. В данном обзоре изложена траектория развития и последние достижения в каждой из этих областей.
1. Технология бурения и взрывных работ в горных породах
Бурение и взрывные работы в горных породах — это фундаментальная технология в металлургической промышленности, однако исторически она также являлась слабым звеном. Поэтому постоянное повышение эффективности бурения и взрывных работ имеет решающее значение для безопасной и высокоэффективной добычи полезных ископаемых. Это остается основным методом разрушения руды под землей. Технология эволюционировала от ручного бурения к пневматическим и гидравлическим буровым установкам, буровым агрегатам (включая конусные и внутрискважинные буровые системы), а теперь и к буровым роботам. В целом, направление ясно: от механизации к автоматизации, интеллектуальным технологиям и более экологичной работе.
После длительных исследований многие страны разработали буровое оборудование, подходящее для широкого спектра условий. В последние годы, по мере совершенствования бурового оборудования, такие страны, как США и Канада, внедрили концепции бурения и взрывных работ открытого типа в подземную добычу полезных ископаемых. Бурение скважин средней длины под этажами все чаще заменяется методами бурения скважин большого диаметра на больших глубинах, что демонстрирует хорошие практические результаты. Например, Швеция разработала серию буровых установок-манипуляторов для проходки тоннелей, отличающихся высокой эффективностью, безопасной эксплуатацией и низким уровнем загрязнения. Параллельно Китай самостоятельно разработал полностью компьютеризированные трехстреловые буровые установки-манипуляторы, объединяющие мобильность, бурение и погрузку. Эти системы просты в эксплуатации, безопаснее и дешевле в строительстве. Такое оборудование улучшило качество и эффективность бурения, снизило трудозатраты и операционные риски, а также повысило уровень автоматизации, интеллектуальности и экологической эффективности.
Поскольку условия подземной добычи значительно различаются, а разработка выработок и камерная добыча требуют разных методов работы, взрывные работы в традиционных подземных шахтах становятся все более разнообразными. Широко используемые методы включают взрывные работы с миллисекундной задержкой, взрывные работы с разбрызгиванием и гладкие взрывные работы, каждый из которых в различной степени улучшает качество взрывных работ.
Благодаря постоянному техническому прогрессу, традиционные методы взрывных работ переходят к высокоточным, экологически чистым и интеллектуальным взрывам. Высокоточные взрывные работы основаны на усовершенствованном проектировании параметров расположения взрывных отверстий, исследованиях энергопотребления при взрыве и планировании взрывных работ на основе моделирования для создания эффективной системы. Экологически чистые взрывные работы в основном используют новые горючие вещества вместо традиционных взрывчатых веществ, не выделяя взрывных газов и значительно улучшая качество воздуха под землей. Интеллектуальные взрывные работы объединяют интеллектуальное проектирование взрыва, интеллектуальное оборудование, интеллектуальное прогнозирование вибрации от взрыва и автоматическое распознавание оставшихся взрывных отверстий для формирования интеллектуальной системы взрывных работ.
В эпоху стремительных инноваций технологии разрушения горных пород также расширяются, выходя за рамки традиционных взрывных работ и охватывая механические и физические невзрывные методы разрушения. Например, проходческие комбайны позволяют механически разрушать среднетвердые или более мягкие руды и породы с высокой эффективностью и в благоприятных условиях труда, что способствует контролю давления на грунт. Методы гидроструйной обработки под высоким давлением и термического разрушения преодолевают ограничения чисто механического разрушения горных пород и позволяют избежать пыли и искр, значительно улучшая условия труда. Однако из-за высокого энергопотребления, высокой стоимости и сильного износа инструмента эти методы еще не получили широкого распространения в Китае. Кроме того, Китай относительно поздно начал исследования и разработки в области информационных технологий и искусственного интеллекта для горнодобывающей промышленности, и ключевые интеллектуальные технологии горнодобывающей промышленности по-прежнему сильно зависят от зарубежных источников. В результате, по-настоящему непрерывная добыча в шахтах по добыче твердых пород еще не полностью реализована.
2. Транспортные и подъемные технологии
Транспортные и подъемные системы занимают чрезвычайно важное место в подземной добыче полезных ископаемых. Они объединяют все производственные звенья в единое целое и обеспечивают стабильную работу шахты. Транспортировка руды в выработках эволюционировала от ручной погрузки к железнодорожному транспорту, а затем к безрельсовому транспорту, перейдя от модели с преобладанием железнодорожного транспорта и его дополнения к модели с преобладанием безрельсового транспорта и его дополнением. Подземное использование безрельсовой мобильной техники началось в 1960-х годах. Благодаря постоянному совершенствованию безрельсового оборудования, безрельсовая добыча полезных ископаемых быстро развивалась, стимулируя трансформацию технологических процессов в подземной добыче и становясь современной тенденцией развития.
Для транспортировки руды на короткие расстояния из выработок обычно используются погрузочно-разгрузочные машины, поскольку они просты в эксплуатации, надежны, эффективны и маневренны. Для транспортировки на большие расстояния из подземных выработок широко используются подземные самосвалы, но внутри страны они все еще менее распространены. По мере увеличения глубины добычи увеличивается и расстояние подъема, и технологии подъема сталкиваются со все большими проблемами, наряду с ростом стоимости подъема материалов. Поэтому разработка технологий подъема руды из глубоких шахт имеет особенно важное значение. Общая тенденция будущего – это увеличение масштабов, веса грузов и повышение уровня автоматизации.
После длительной разработки большинство глубоких шахт в настоящее время используют многоступенчатый подъем руды с помощью рельсового транспорта, ленточных конвейеров или безрельсового оборудования. Например, на золотодобывающем руднике ТауТона в Южной Африке используется трехступенчатый режим подъема руды, при этом перемещение между шахтами осуществляется с помощью ленточного или безрельсового оборудования. Традиционные открытые ленточные конвейерные системы просты по конструкции, но подвержены выбросу пыли и просыпанию материала, что загрязняет подземную среду; они также имеют ограниченную проходимость и более низкий уровень безопасности. Для решения этой проблемы компания SiCON разработала закрытые ленточные конвейерные системы, которые предотвращают просыпание и образование пыли. Скорость транспортировки может превышать 3 м/с, а угол наклона конвейера может достигать 36 градусов. При дальнейшей оптимизации эта система перспективна для транспортировки и подъема руды в глубоких шахтах.
В настоящее время гидравлический подъем в основном используется в глубоководной добыче полезных ископаемых. В последние годы некоторые исследователи пытались применить гидравлический подъем в глубоких подземных шахтах. Этот процесс может работать непрерывно и лучше совместим с автоматизированными и интеллектуальными системами подъема. Однако он требует наличия подземных систем дробления и измельчения в глубоких шахтах, что затрудняет его практическое внедрение на данном этапе. Между тем, появились и инновационные концепции, такие как подъем с помощью магнитных лифтов, но они все еще требуют тщательных и детальных исследований. Эти новые технологии, методы и процессы придают новый импульс транспортировке и подъему в шахтах и активно способствуют инновациям в этой области.
3. Технология укрепления горных пород
В металлургических рудниках укрепление горных пород в основном применяется к слабым, трещиноватым и высоконапряженным горным массивам. Технологии укрепления можно разделить на пассивное и активное. Пассивное укрепление не может изменять внутреннюю структуру породы и может лишь пассивно противодействовать деформации окружающей породы; примерами являются традиционная деревянная крепление, каменная облицовка и стальная арочная крепление. Активное укрепление может изменять внутреннюю структуру породы и активно повышать прочность горного массива; примерами являются анкерные и вантовые болты, анкерно-инъекционная фиксация, торкрет-болтовая фиксация и фиксация сеткой из анкерных болтов и торкрет-бетона. Среди них анкерно-инъекционная фиксация, торкрет-болтовая фиксация и фиксация сеткой из анкерных болтов и торкрет-бетона являются комбинированными методами крепления, а торкрет-болтовая фиксация стала основной технологией укрепления в металлургических рудниках.
Сочетание анкерных болтов по всей длине с болтами, закрепленными на клеевой основе, значительно повысило прочность анкеровки и обладает большой практической ценностью и потенциалом применения. Торкретирование также эволюционировало от сухого напыления к мокрому, что улучшило условия работы и уменьшило отслаивание породы. Эффективная интеграция торкретирования и болтового крепления позволяет контролировать свободную деформацию окружающей породы в определенном диапазоне, перераспределять напряжения в окружающей породе и эффективно предотвращать расслоение и обрушение породы.
Благодаря быстрому технологическому прогрессу, как в отечественной, так и в международной горнодобывающей промышленности расширяется использование передового оборудования для анкеровки и торкретирования. На международном уровне разработан ряд анкерных установок, машин для мокрого торкретирования и установок для установки сетки. В Китае в настоящее время разработано собственное оборудование, включающее в себя анкерные установки на колесах и гусеничном ходу, горнодобывающие машины для мокрого торкретирования и двухстреловые установки для мокрого торкретирования. Эти системы повышают эффективность, снижают трудозатраты и улучшают безопасность эксплуатации, одновременно способствуя механизации и интеллектуальному управлению в горных породах. После нескольких волн технических инноваций, управление горными породами перешло от традиционной пассивной одиночной опоры к новой активной композитной опоре, и дальнейшее развитие будет продолжаться в направлении большей механизации и интеллектуального управления для дальнейшего повышения безопасности и производительности.
4. Технология засыпки пастой
Добыча металлов может вызывать серьезные экологические проблемы, включая загрязнение твердыми отходами, загрязнение воды, воздуха и занятие земель. Благодаря достижениям в технологиях и оборудовании для обратной засыпки, пастообразная обратная засыпка предлагает новый подход как к традиционным проблемам горнодобывающей промышленности, так и к воздействию горнодобывающей деятельности на окружающую среду. В этом методе твердые отходы горнодобывающей промышленности, такие как цельные хвостохранилища, перерабатываются в насыщенную, не выделяющую жидкость, пастообразную структурную суспензию и используются для обратной засыпки. Это позволяет одновременно решить две основные проблемы: хранилища хвостохранилищ и подземные пустоты, тем самым способствуя устойчивому развитию горнодобывающей промышленности.
По сравнению с традиционной гидравлической песчаной засыпкой, пастообразная засыпка имеет три определяющие особенности: отсутствие расслоения, отсутствие оседания и отсутствие обезвоживания. В Китае создана первая в мире промышленная испытательная платформа для пастообразной засыпки, занимающая площадь около 2000 квадратных метров и оснащенная более чем 200 комплектами оборудования. Она отличается высокой точностью промышленного класса, полным функциональным охватом и интеллектуальным управлением. Платформа позволяет тестировать весь процесс пастообразной засыпки, определять ключевые параметры и направлять проектирование системы и инженерную практику. В частности, ее кольцевая система испытаний трубопроводов с различными диаметрами труб, направлениями и расходами дает результаты, более близкие к реальным условиям, чем традиционные методы.
Общим теоретическим фундаментом для всех этапов процесса засыпки пастообразным раствором является реология пасты в горнодобывающей промышленности. Исследования, основанные на определяющих уравнениях реологии пасты, сочетают теоретические расчеты, реологические испытания и численное моделирование для удовлетворения инженерных требований на четырех этапах процесса: сгущение отходов, смешивание пасты, транспортировка пасты и затвердевание засыпки. Технология сгущения направлена на получение стабильной и соответствующей концентрации при отливе, что закладывает основу для качественного приготовления пасты. Технология смешивания обеспечивает равномерное смешивание материалов, что способствует текучести при транспортировке по трубопроводу и гомогенизированным механическим свойствам. Технология транспортировки направлена на снижение энергопотребления и уменьшение износа. Технология засыпки направлена на равномерное распределение прочности в засыпном слое и достаточную площадь контакта с кровлей. Эти четыре этапа процесса соответствуют четырем основным технологиям засыпки пастообразным раствором.
Засыпка пастообразным раствором воплощает в себе принципы безопасности, экономичности, защиты окружающей среды и эффективности. Это важная техническая основа экологически чистых систем добычи металлов на рудниках, она включена в список демонстрационных технологий соответствующими национальными органами власти Китая и остается актуальной областью исследований в горнодобывающей промышленности во всем мире.
5. Технология дистанционного управления
По мере развития технологий горнодобывающая промышленность прошла путь от ручной обработки к механизированной, а затем к автоматизированной и интеллектуальной добыче. В обеих автоматизированных и интеллектуальных системах дистанционное управление является ключевой технологией. Поэтому оно будет играть незаменимую роль в современной горнодобывающей промышленности и является важным техническим средством для развития горнодобывающей отрасли в будущем.
На международном уровне дистанционное управление уже является относительно зрелой технологией и четким направлением развития подземных горных работ. Типичные области применения включают дистанционное бурение, дистанционную зарядку и дистанционную выгрузку руды. Однако эта технология, как правило, внедряется, когда общая промышленная база страны достигает высокого уровня, и в Китае она еще не получила широкого распространения.
Ключевые элементы технологии дистанционного управления сосредоточены в трех областях: дистанционное восприятие обстановки на горнодобывающем предприятии, дистанционное управление горными процессами, а также дистанционный контроль и управление горнодобывающими системами. В совокупности эти возможности обеспечивают автоматическое зондирование и анализ, беспилотное управление, дистанционное диспетчерское управление, автоматическое раннее предупреждение и дистанционное принятие решений.
