Молодые ученые Горного института НИТУ «МИСиС» разработали инновационный закладочный материал для заполнения отработанных пространств шахт, применение которого снижает вероятность возникновения техногенных катастроф при ведении подземных горных работ, а также уменьшает техногенную нагрузку на окружающую среду. Применение техногенных отходов в закладочном материале снизит его стоимость на 80-90%, а себестоимость закладочных работ до 40-50%. Результаты исследования опубликованы в международном научном журнале Minerals.
В результате ошибок в расчетах на стадии проектирования или в ходе эксплуатации шахт нередко возникают техногенные катастрофы. Например, на российских рудниках Сильвинит и Уралкалий в Пермском крае происходили обрушения кровли и затопления. Прорывы воды со дна карьера в подземный рудник случались на известном руднике «Мир» (Республика Саха, Якутия), горные удары, вызывающие землетрясения, зафиксированы на руднике «Умбозеро» в Мурманской области и т.д. Это значимые техногенные катастрофы, которые привели к разрушению рудника и потере части запасов месторождения.
Увеличение глубины разработки приводит к росту объема изымаемых из недр Земли пустых пород, а истощение запасов и снижение качества извлекаемой руды ведет к интенсификации накопления техногенных отходов. Под хранение техногенных массивов изымаются огромные площади, а выветривание мелкой пыли с поверхности техногенных образований приводит к деградации почвы в радиусе 50 км.
Мировой опыт показывает, что около 35% подземных рудников во всех странах применяют закладку выработанных пространств шахты, где больше не ведется добыча полезных ископаемых. Это позволяет управлять горным давлением, повышает безопасность работ, позволяет вести разработку одновременно подземным и открытым способом, увеличивает скорость извлечения руды.
Суть метода – заполнение отработанного пространства рудников различными материалами, что позволяет приблизиться к первоначальному состоянию массива. Главный вопрос – чем горнякам заполнять подземные пространства, чтобы это было качественно, обеспечивало необходимую нормативную прочность и структуру породного массива , и при этом стоило дешево, мотивируя применять технологию?
Коллектив молодых ученых Горного института НИТУ «МИСиС» создал инновационный засыпной композит для заполнения отработанного пространства шахт, который станет основой новой технологии. Полная замена традиционных специально добываемых компонентов закладочной смеси (цемент, песок, гравий) на техногенные отходы позволит снизить ее себестоимость но 80-90%. При этом использование техногенных отходов для приготовления закладочной смеси сокращает их количество на поверхности.
«В своем исследовании мы представили новый композиционный материал на основе техногенных отходов горнодобывающих и металлургических производств. Он был получен путем изменения внутренней структуры материала техногенных отходов горно-обогатительного и металлургического производств путем создания новых или вторичных кристаллических структур. Это привело к значительному увеличению прочностных характеристик закладочного массива после полного затвердевания», — рассказала соавтор работы магистрант специальности «Технологические машины и оборудование» Горного института НИТУ «МИСиС» Чейнеш Конгар-Сюрюн.
Разработчики перегоняли через механический дезинтегратор (устройство для измельчения материалов) техногенные отходы горно-перерабатывающего производства: пустую породу от вскрышных и проходческих работ; малоценные и некондиционные руды; отходы обогатительного производства и шлаки металлургических комбинатов. После этого компоненты соединяются вместе, и смесь увлажняется
Ряд проведенных лабораторных опытов показал, что активация (измельчение, в данном случае) отдельных компонентов закладочного композита или готовой смеси — самый дешевый и простой способ изменения свойств материала. Помимо улучшения прочностных характеристик и однородности создаваемой массы, активация готовой композитной смеси улучшает ее текучие свойства, что значительно увеличивает его транспортабельность от места приготовления до места укладки.
Авторы исследования подчеркивают, что повторное использование промышленных отходов и эффективное использование побочных продуктов производства — два основных принципа устойчивого развития горнопромышленного региона.
«К настоящему времени на поверхности земли скопилось более 1 трлн. тонн твердых отходов горного и металлургического производства. В связи с увеличением потребления ресурсов интенсификация накопления техногенных отходов ускоряется в геометрической прогрессии. Перед человечеством как никогда остро стоит вопрос утилизации этих отходов.
Предложенная нами технология позволит горнякам утилизировать («прятать») эти отходы в отработанное пространство в виде закладочной смеси. Одновременно с сохранением первозданной природы данная технология позволяет снизить стоимость компонентов закладочной смеси на 80-90%, а стоимость традиционных закладочных работ в целом на 40-50%», — подчеркнул соавтор исследования, профессор Вроцлавского политехнического университета Ярослав Рыбак.
В настоящее время коллектив продолжает работу над проектом, исследуя возможность одновременно с активацией компонентов созданного композита извлекать из пустой руды остающиеся в ней металлы и соли, что еще больше усилит экономическую составляющую технологии.