CC BY
52
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99» МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99_______
А.Е. Воробьев, д.т.н., М.А. Погодин, асп., Т.В. Чекушина, к.т.н.
МГГУ МГГУ ИПКОН РАН
КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ ЗОЛОТА ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
В связи с существующим ухудшением качества минерального сырья (главным образом, в отношении содержания металлов в рудах), в настоящее время энергетически становится выгоднее вести переработку не классическими методами обогащения (когда всю массу минерального сырья измельчают, а затем выделяют рассеянный в ней полезный компонент), а гидрометаллургии (базирующейся на растворении полезного компонента активными агентами при контакте с выщелачивающими растворами), т.к. при этом главная доля энергии не тратится на вмещающие породы, на их отбивку от полезного компонента и удаление [3-5]. Подобная прогрессивная концепция получила развитие в методах геотехнологии [1], в которых полностью отказались от (свойственного обогащению или частично гидрометаллургии) тонкого измельчения руд, и зачастую производят извлечение полезного компонента на месте естественного (природного) залегания рудного тела.
Таким образом, при осуществлении геотехнологических методов переработки металлических руд отпадает надобность в сооружении цеховых зданий и сооружений (фабрик или заводов), т.е. в капитальных затратах на их строительство и последующее содержание [14-16]. Но в условиях Севера нашей страны, этот в общем положительный фактор может стать и отрицательным, препятствующим применению геотехнологии, что объясняется ограничением области ее использования отрицательными температурами в зимний период времени, приводящим к замерзанию техно-
логических (выщелачивающих и продуктивных) растворов.
Климатические условия России (особенно районов Севера и Северо-Востока) характеризуются длительным периодом отрицательных (до -600С) температур окружающей среды, что накладывает отпечаток на технологии выщелачивания металлов и конструктивное выполнение штабелей КВ, блоков ШПВ или СПВ. Для решения этого негативного аспекта воздействия холода целесообразно использовать следующие технологические схемы.
Так, приемом нивелирования воздействия отрицательных температур является частичное или полное экранирование штабеля кучного выщелачивания слоем глин (препятствующим распространению холода внутрь массива выщелачиваемых руд) и расположение оросительного трубопровода на глубине 1,2-1,5 м от поверхности [11,12]. Этот прием хотя существенно и снижает влияние холода, но эффективен только при температурах не ниже -12-170С.
Если температура окружающей среды доходит до -300С и ниже, то экранирование штабеля кучного выщелачивания необходимо осуществлять уже в комплексирова-нии с заложением слоя саморазо-гревающихся пород (это могут быть различные сульфиды и т.д.). При достаточной аэрации техническим воздухом породы самора-зогревающегося слоя вступают в экзотермические реакции окисления с находящимся в нем кислородом. Так, например, руда содержащая 1-2% сульфидов, способна при таком окислении разогреться до 500С. В результате происходит выделение значительного
объема тепла, препятствующего замерзанию технологических растворов. Этим воспользовалась фирма "Анаконда", которая в процессе кучного выщелачивания металла в результате интенсивной аэрации добилась практически постоянной положительной температуры внутри штабеля в зимний период времени.
Интенсивность радиоизлучения пород зависит и от величины объемного содержания растворителя в их поровой жидкости [8]. Так, величина диэлектрической проницаемости горных пород, участвующих в процессе выщелачивания может находиться в пределах от 5 до 35 единиц, в то время как величина диэлектрической проницаемости рабочих растворов достигает сотен единиц. Следовательно, в процессе взаимодействия горной породы с раствором ее диэлектрическая проницаемость будет повышаться по мере увеличения объемного содержания растворителя в поровом пространстве. При этом будет уменьшаться из-лучательная способность горной породы и, как следствие, интенсивность ее радиотеплового излучения.
В качестве пород и минералов саморазогревающегося слоя могут выступить сульфиды различных металлов, т.к. их окисление является экзотермической реакцией и при этом происходит значительное выделение тепла, приводящее к саморазогреву данного слоя и, при наличии воды и ее циркуляции, всего массива штабеля горных пород.
Но и у данного способа имеется недостаток - ограниченный период выделения тепла, лимитируемый объемами саморазогре-вающихся пород и количеством
поступающего кислорода. К тому же этот опыт не пригоден в случае выщелачивания окисленных руд.
В зимний период также целесообразен и подогрев технологических растворов. Например, с целью круглогодичной эксплуатации штабеля КВ фирма Smoky Valley Mining в 1980 г. смонтировала систему подогрева оборотного обеззолоченного раствора, подаваемого на выщелачивание. Раствор пропускают через зумпф с двумя погружным горелками, где температура раствора повышается до +17 0С (при температуре окружающей среды -9 0С). В результате технологические растворы не теряют положительных температур и не замерзают, что продлевает сезон выщелачивания до круглогодичного. Недостатком данной технологии является повышенный расход энергии (на подогревание растворов) и уменьшение концентрации активных реагентов в растворах (за счет их распада при контакте с пламенем горелок и под действием высоких температур). Так, нагрев технологических растворов связан с расходом повышенного количества энергии. Например, для подогрева 1 м3 раствора на 100С необходимо затратить 104 ккал тепла, что эквивалентно расходу 4,2-104 кДж или 11,6 кВт-ч электроэнергии.
Повышение эффективности кучного выщелачивания металлов с использованием специально создаваемой разности температур можно добиться и за счет сокращения потерь продуктивных растворов путем предотвращения повреждения гидроизоляционного основания [9].
Для этого в технологической схеме КВ, включающей создание гидроизоляционного основания и буферного слоя на нем, последующую отсыпку рудной массы, монтаж на поверхности штабеля оросительной системы, обработку рудной массы выщелачивающими и сбор продуктивных растворов, буферный слой создают намораживанием слоя льда, с последующим оттаиванием перед началом
2 і 1999
орошения. Кроме того, с целью обеспечения дополнительного рыхления рудной массы массива штабеля КВ, на поверхности слоя льда образуют выступы в виде наледей. А воду, используемую для намораживания слоя льда, предварительно закисляют.
Для чего, промышленную площадку разравнивают бульдозером под углом 1-2°. В ее нижней части сооружают сборную емкость, а по периметру площадки формируют борт высотой 1,5-1,75 м. Дно, внутренние части бортов, образовавшиеся кюветы, а также стенки и дно сборной емкости покрывают гидроизоляционным материалом (полихлорвиниловой пленкой или глиной). Затем на дне кюветы монтируют систему труб с расположением на расстоянии 1м друг от друга. Заполняют кювету водой, закисляют и замораживают полученный раствор (фреоном или жидким аммиаком, подаваемым по трубам). Минимальная толщина слоя льда определяется его прочностными характеристиками. Затем на слой льда отсыпают штабель, монтируют на нем систему труб орошения и вновь на них продолжают отсыпать рудную массу, с последующей укладкой горизонта орошения. Для размораживания слоя льда по трубам подают пар.
К тому же лед представляет интерес как один из наиболее тонкопористых адсорбентов. Структура льда служит примером соединения с водородными связями, а водородная связь является направленной связью. Поэтому структура таких кристаллов часто не подчиняется правилам плотнейших шаровых упаковок. Между молекулами воды в структуре льда образуются правильные пустоты, имеющие размер молекул воды. Значительная адсорбция СО2 льдом объясняется проникновением молекул углекислого газа в эти пустоты.
Дополнительным фактором, интенсифициирующим процесс выщелачивания в условиях отрицательных температур, является
морозобойное растрескивание породы, увеличивающее поверхности контактов.
Градиент температур существенно влияет как на повышение извлечения, так и на сокращение времени выщелачивания металлов [2].
В настоящее время разработана технология, включающая циклическое орошение руды, ее высушивание и обработку карбонатным раствором, эффективность процесса которой существенно повышается, если обработку руды карбонатным раствором выполнять после орошения руды выщелачивающим раствором, а затем до начала нового цикла выщелачивания руду орошают водой. При этом концентрация раствора должна быть равной концентрации в предельно насыщенном состоянии при температуре, превышающей температуру ведения процесса выщелачивания. Кроме того, высушивание до остаточной влажности 0,5-4,0% осуществляется путем выстаивания или аэрацией руд воздухом. А орошение водой прекращают после получения концентрации реагента в стекающем растворе, равной его концентрации в выщелачивающем растворе.
Так, если процесс ведут при +200С, то обработку предельно насыщенным раствором осуществляют при температуре выше +250С, концентрация соды при которой составляет 294 г/л, при +300С - 397 г/л, при +400С - 488 г/л и т.д.
По мере прохождения раствора реагента происходит понижение его температуры и выпадение части реагента на поверхности рудной массы. При этом происходит взаимодействие образовавшейся "рапы" с рудой, что приводит к росту образования кристаллов карбонатов и увеличению пористости рудных кусков. При высушивании происходит дополнительное увеличение пористости и разрушение рудных кусков за счет роста вторичных кристаллов в макро- и микропорах. При обработке водой начинается перерас-
77
творение образовавшихся кристаллов в раствор и более интенсивное взаимодействие реагента с рудой, а также диффузия растворенных полезных компонентов из глубины рудных кусков к поверхности.
В технологиях СПВ использование температурного воздействия на выщелачиваемый массив столь же актуально, как и для КВ. Оно весьма эффективно, например, для снижения затрат на восстановление приемистости технологических скважин [7].
Согласно такой технологии, включающей вскрытие продуктивного горизонта скважинами, установку фильтров, подачу рабочих и откачку продуктивных растворов, а также периодическое восстановление приемистости технологических скважин путем промывки, перед которой производят замораживание и последующее оттаивание продуктивных горизонтов, прилегающих к скважинам в интервалах установки фильтров. При этом в качестве хладоагента для замораживания используют жидкую угольную кислоту, жидкие газы или холодные солевые растворы.
При снижении приемистости откачных и закачных скважин в результате кольматации глинистыми частицами их прифильтро-вых зон, в скважины опускают охлаждающее устройство, которое устанавливают в зоне фильтра и замораживают прифильтровую часть на глубину 30-50 см. Затем в скважины подают теплоноситель - пар или нагретый газ, а после оттаивания производят их промывку.
В других случаях необходимо обеспечить повышение равномерности проработки и степени извлечения полезного компонента при его выщелачивании также на месте естественного залегания [10].
Для чего осуществляют вскрытие рудного тела чередующимися рядами закачных и откачных скважин (с расстоянием между от-качными скважинами, превышающем расстояние между закач-ными скважинами), с последующей закачкой нагретого выщела-
чивающего и откачку продуктивного раствора. При чем, нагретый выщелачивающий раствор подают в закачные скважины, наиболее удаленные от откачных, а температуру его нагрева определяют по формуле
Т = La^T^ + 20_m^ _ 20 ,
l min
min
где lmax - длина максимальной линии тока растворов, м; lmin - длина минимальной линии тока растворов, м.
А в остальные закачные скважины подают раствор при температуре окружающей среды.
Скорость фильтрации технологических растворов при изменении их температуры определяется практически только изменением вязкости жидкости. Осуществляя процесс выщелачивания по такой технологии добиваются постоянства скорости движения раствора с заданной степенью насыщения полезным компонентом, без их опережения по кратчайшим линиям тока.
Для чего продуктивный пласт вскрывают чередующимися рядами закачных 1,2 и откачных 3 скважин. В скважины 4, расположенные через одну в закачном ряду и дающие начало наиболее длинным линиям тока adc, подают подогретый раствор, а в остальные скважины 5, дающие начало коротким линиям тока ab, - раствор с температурой окружающей среды.
В результате в зоне А происходит фильтрация преимущественно холодных растворов, в зоне В -подогретого раствора, а в зоне С -интенсивное перемешивание холодного и горячего растворов.
Кроме этого необходимо учитывать и то, что в литосфере (ниже приповерхностной зоны постоянных температур) наблюдается постепенный нагрев горных масс с углублением в недра. Расстояние по вертикали, на котором температура повышается на 10С, называют геотермической ступенью. Ее величина в разных местах весьма различна, но в среднем равна 32 м. Поэтому, в технологиях СПВ целесообразно использо-
вать геотермальную энергию недр, как источник миграции технологических растворов, путем создания специально оборудованных скважин.
Для чего скважину оборудуют размещенными одна в другой внутренней и внешней эксплуатационными колоннами (со ступенчато расположенными друг относительно друга фильтрами на забойных концах колонн и с концентричным размещением внутренней колонны в интервале фильтровой части внешней колонны). При чем, внутреннюю эксплуатационную колонну выше интервала фильтровой части внешней колонны (выполненную из упругого материала) размещают во внешней колонне по спирали и закрепляют на устье скважины с возможностью изменения кривизны изгиба и числа ее витков, а ее внутреннюю полость фильтровой части разобщают с межтрубным пространством колонны.
После того, как фильтр 7 под собственным весом встал на забой скважины, а межтрубное пространство эксплуатируемых колонн 2 и 11 разобщилось уплотнительным элементом 10, с дневной поверхности продолжают методом принудительного вращения подают эксплуатационную колонну 11, выполненную из гибкого полимерного шланга, во внутреннюю полость колонны 2. Колонна 11 под действием осевой нагрузки теряет устойчивость и начинает располагаться во внутренней полости колонны 2, принимая сложную конфигурацию (практически совпадающую со спиралью). Принудительная подача колонны 11 проводится до тех пор, пока она не займет максимально возможный объем внутренней полости эксплуатационной колонны 2. Гибкость колонны 11 и способ ее закрепления на устье скважины обеспечивают возможность регулирования числом витков спирали степень нагрева рабочих растворов.
При эксплуатации скважины горячий геотермальный поток, например, продуктивный технологи-
ческий раствор, из пласта 6 через фильтр 7, трубу 8 и спиральную колонну 11 поднимают на поверхность земли, одновременно нагревая рабочий раствор, нагнетаемый в рудное тело 1 через межтрубное пространство эксплуатационных колонн 2 и 11 до нужной температуры. При залегании рудного тела 1 под термальным водоносным горизонтом 6, рабочий раствор подается в эксплуатационную колонну 11, а нагревается он - за счет горячего продуктивного раствора, поднимаемого по межтруб-ному пространству эксплуатационных колонн 2 и 11.
При этом целесообразно использовать термальные водоносные горизонты с температурой воды более 45-700С, обеспечивающих нагрев рабочих растворов до 35-500С. Подобное освоение термальных водоносных пластов позволит увеличить извлечение полезного компонента на 10-15% без дополнительного нагрева пласта или растворов.
Влияние различных температур может благотворно воздействовать и на повышение полноты извлечения полезных компонентов [13]. Для чего, при осуществлении технологии, включающей подготовку горной массы к выщелачиванию, ее орошение, а также интенсификацию (посредством дополнительной подачи выщелачивающего раствора в отдельные зоны массив горной массы) и сбор продуктивных растворов, в выщелачиваемом участке целесообразно выделять зоны переуплотнения горной массы, а выщелачивающий раствор переводят в газообразное состояние и направляют под повышенным давлением в выделенные участки. Куда, одновременно с подачей выщелачивающего раствора, подают в газообразном состоянии и хладоноситель.
Газообразная смесь, проникая по каналам в зону переуплотнения, охлаждается там и переходит в жидкое состояние, вступая при этом в активный контакт с горной массой и интенсивно выщелачивая полезный компонент.
Перевод выщелачивающего раствора в газообразное состояние можно осуществлять путем нагрева или химической реакции как внутри массива раздробленной горной массы, так и за его пределами.
Выщелачивание металлов из руд не ограничивается областью только положительных температур технологических растворов. Результаты экспериментов по выщелачиванию металлов при отрицательной температуре окружающей среды показали, что даже дистил-лированая вода способна растворять пирит при -100 С с образованием кислого (рН=3,5-4), сульфатного (10-30 мг/л SO4) раствора за счет окисления растворенным в воде кислородом. В данном случае важно не допустить замерзание переохлажденных геотехно-логических растворов при их миграции, что в определенных ситуациях осуществить нетрудно, т.к. температура замерзания воды, например, адсорбированной на кремнекислом слое глинистых минералов, составляет -900С. К тому же количество незамерзающей воды существенно зависит от площади поверхности минеральных частиц и, следовательно, растет с увеличением дисперсности горных пород. Установлено так же и то, что в тонкодисперсных ленточных глинах при температуре -40С незамерзшая вода составляет до 34% от массы сухой породы. Внешнее давление также оказывает существенное влияние на объем незамерзшей воды. Так, рост давления с 2 до 10 кг/см2 увеличивает долю незамерзающей воды в 1,5 раза.
В следствие гравитационной миграции через сцементированную льдом рудную массу концентрированный незамерзающий продуктивный раствор скапливается на водоупорном основании в нижней части штабеля, собирается в растворосборниках и направляется на дальнейшее извлечение металлов.
Перевод металлов в раствор при отрицательных температурах окружающей среды обеспечивается совместным воздействием на
руду пленочных растворов и растворов криогенного концентрирования (чрезвычайно активных и обладающих низкой температурой замерзания).
При отрицательной температуре окружающей среды естественная миграция водорастворимых соединений происходит в форме пленочных вод, при чем преимущественно снизу в верх по вертикали. При этом для ориентированной (пленочной) воды главными движущими силами являются осмотические, а для свободной - капиллярные и гравитационные, градиент электрического поля или химического потенциала. При наличии перепада температур происходит термоперенос влаги в сторону низких температур. Движущими силами миграции жидкости в этом случае являются градиент поверхностного натяжения и градиент упругости, возникающие в следствие градиента температур. Для миграции в виде жидкости - силы гравитации, напряжения в грунте при его замерзании, капиллярные силы и силы кристаллизации.
Следовательно, без проведения дополнительных затрат наиболее целесообразно ведение выщелачивания металлов тонкими, незамерзающими, пленками с образованием на поверхности штабеля КВ ледяной линзы. В этом случае возможно обеспечение селективности выщелачивания и миграции различных металлов.
При геотехнологии металлов в условиях Севера необходимо учитывать то, что подвижность элементов в области перигляционного литогенеза существенно иная, чем в других районах страны. Так, подвижность натрия, кальция, цинка, кобальта в зоне мерзлоты ниже, чем в теплом климате, зато резко возрастает подвижность висмута, олова, сурьмы, таллия, ртути, серебра, хрома, бериллия, вольфрама и золота. Ряд геохимической
подвижности элементов в порядке ее возрастания для условий мерзлоты: Т - № - Ве - V - Мо -Fe - Мп - Сг - РЬ - Со - Sn - Ва -Са - Си - (As,Ag) - Mg - №а - 2п -
77
Sb. Это обстоятельство позволяет нам пересмотреть возможность и порядок селективного извлечения
металлов.
Таким образом, в местностях с суровым климатом (Север России) выщелачивание металлов может осуществляться технологическими растворами имеющими как положительную (подогретыми), так и отрицательную температуру (незамерзающие переохлажденные растворы). Если первые традици-онны на практике (хотя и имеют более высокие затраты на подогревание, утепление трубопроводов и т.п.), то вторые, в некоторых случаях более эффективны, т.к. не имеют затратную часть на поддержание в них положительных температур.
Наиболее эффективна технологическая схема отработки массива штабеля кучного выщелачивания высококонцентрированными пленочными (не объемными) незамерзающими растворами, не требующими ни специального подогрева, ни изоляции, ни слоя само-разогревающихся пород и обладающими высокой активностью по отношению к извлекаемому полезному компоненту.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аренс В.Ж. Скважинная добыча полезных ископаемых. -М. :Недра, 1986. - 279 с.
2. Баранов В.М., Бубнов В.К., Щелкин А.А. Способ карбонатного выщелачивания полезных компонентов из крупнокусковых руд. А.с. СССР N 1417535, 1986.
3. Бубнов В.К., Спирин Э.К., Воробьев А.Е., Голик В.И. и др. Теория и практика добычи полезных ископаемых для комбинированных способов выщелачивания. - Целиноград: Жана-Арка, 1992. - 546 с.
4. Бубнов В.К., Голик В.И., Воробьев А.Е., Руденко Н.К., Чекушина Т.В. Актуальные вопросы добычи цветных, редких и благородных металлов. -Акмола: Жана-Арка, 1995. - 602 с.
5. Воробьев А.Е., Голик В.И., Лобанов Д.П. Приоритетные пути развития горнодобывающего и перерабатывающего комплекса Северо-Кавказского региона /Под ред. акад. К.Н.Трубецкого. -Владикавказ, 1998. - 362 с.
6. Воробьев А.Е., Погодин М.А. Выщелачивание металлов при отрицательных температурах среды //Тезисы докладов "Наука и новейшие технологии при освоении месторождений полезных ископаемых на рубеже ХХ-ХХ1 веков". - М.: МГГА, 1998. - С.58.
7. Долгих П.Ф., Портнов Ф.К., Петров Р.П. и др. Способ добычи полезных ископаемых подземным выщелачиванием. А.с. СССР N 1120747, 1983.
8. Лобанов Д.П., Горбунов С.Г., Абдульманов И.Г. и др. Способ контроля за распределением рабочих растворов в горных выработках. А.с. СССР п1338498, 1985.
9. Лукьянов А.Н., Тедеев М.Н., Расторгуев А.Г. и др. Способ кучного выщелачивания полезных ископаемых. А.с. СССР N1487567, 1987.
© А.Е. Воробьев,
10. Прозоров Л.Б., Новосельский Ю.А., В.В.Хабиров и др. Способ подземного выщелачивания полезных компонентов. А.с. СССР N14575491, 1987.
11. Таскаев А.А., Воробьев А.Е. Формирование техногенных месторождений с учетом изменения свойств горных пород при хранении //Физико-технические способы и процессы разработки и обогащения полезных ископаемых. - М.:ИПКОН, 1989. - С.48.
12. Таскаев А.А., Воробьев А.Е. Рациональное формирование отвалов металлосодержащих пород //Теория и практика комплексного освоения месторождений полезных ископаемых и обогащение минерального сырья. -М:ИПКОН, 1992. - С.45-47.
13. Тедеев М.Н., Левин М.Г., Александров С.М. и др. Способ выщелачивания полезных ископаемых.
A.с. СССР N 15113989. 1987.
14. Хабиров В.В., Воробьев А.Е. Теоретические основы развития горнодобывающих и перерабатывающих производств Кыргызстана /Под ред. акад. Н.П.Лаверова. - М.: Недра,
1993. - 316 с.
15. Хабиров В.В., Забельский
B.К., Воробьев А.Е. Прогрессивные технологии добычи и переработки золотосодержащего сырья /Под ред. акад. Н.П.Лаверова. - М.: Недра,
1994. - 272 с.
16. Хабиров В.К., Забельский
B.К., Воробьев А.Е. Экологически
щадящие технологии подземного выщелачивания из вечномерзлых россыпей //В кн.: Фундаментальные и
прикладные проблемы охраны окружающей среды. - Томск: ТГУ, 1995. -
C.114.
М.А.Погодин, Т.В. Чекушина
