CC BY
128
Обогащение титаномагнетитовых руд с целью получения.
Чижевский В.Б., Шавакулева О.П.
Шавакулева Ольга Петровна - канд. техн. наук, доц. кафедры обогащения полезных ископаемых ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Россия. Тел.: (3519) 298555. E-mail: magtu_opi@mail.ru.
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
TITANIFEROUS MAGNETITE ORES ENRICHMENT IN ORDER TO RECEIVE CONDITIONING ILMENITE CONCENTRATES
Chyzhevsky Vladimir Bronislavovich - D.Sc. (Eng.), Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Russia. Phone: 8(3519)298555. E-mail: magtu_opi@mail.ru.
Shavakyleva Olga Petrovna - Ph.D. (Eng.), Associate Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Russia. Phone: 8(3519)298555. E-mail: magtu_opi@mail.ru.
Abstract. The materials concerning Kopanskoe ilmenite concentrate deposit and theoretical fundamentals of problem solution of ilmenite concentrate providing have been introduced. The basic diagram for titaniferous magnetite ore processing and the developed magnetic gravitational method for titaniferous magnetite ore enrichment with conditioning iron vanadium and ilmenite concentrates receiving have been suggested.
Keywords: titaniferous magnetite ore, ore dressing, flotation, magnetic separation, gravitation, technology of processing, ilmenite concentrate.
References
1. Reznichenko V.A., Shabalin L.I. Titanomagnetite, field, metallurgy, chemical technology. Moscow: Science, 1986.
2. Chyzhevsky V.B., Rashnikov V.F., Taxautdinov R.S. Method of ore dressing of titanomagnetite ores. Patent RF, no 035212.
3. Chyzhevsky V.B., Shavakyleva O.P. Ore dressing of tin different types of titanomagnetite ores. Nauchnyie osnovyi i praktika pererabotki rud i tehnogennogo syirya: materialyi mezhdunar. nauch.-tehn. konferentsii. [Scientific fundamentals and practice of processing of ores and techno-genic raw materials: Materials of International scientific-technical conference]. Ekaterinburg: Publishing House «Fort Dialog-Iset», 2011, pp. 529-531.
4. Chyzhevsky V.B., Shavakyleva O.P., Gmyzina N.V. The enrichment of
titaniferous magnetite ore in the South Urals. Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova. [Vestnic of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2012, no. 2(38), pp. 5-7.
5. Shavakyleva O.P. The enrichment of titaniferous magnetite ore. Nauchnyie osnovyi i praktika pererabotki rud i tehnogennogo syirya: materialyi XYII mezhdunar. nauch.-tehn. konferentsii. [Scientific fundamentals and practice of processing of ores and technogenic raw materials: Materials of XYII International scientific-technical conference]. Ekaterinburg: Publishing House «Fort Dialog-Iset», 2012, pp. 39-41.
6. Gladskikh V.I., Grom S.V., Emelin K.A., Chyzhevsky V.B., Shavakyleva O.P. State and development prospects of the raw material base of Magnitogorsk iron and stell works. Gornyiy zhurnal. Chernyie metallyi. Spets. vyipusk. [Gorn journal. Ferrous metals. Special release]. 2012, pp. 12-14.
7. Chyzhevsky V.B., Shavakyleva O.P. Technology of enrichment of titanif-erous magnetite ores Chernorechensky field. Sovremennyie metodyi tehnologicheskoy mineralogii v protsessah kompleksnoy i glubokoy pere-rabotki mineralnogo syirya: materialyi mezhdunar. soveschaniya «Plaksin-skie chteniya-2012» [Modern methods of technological Mineralogy in the processes of complex and deep processing of mineral raw materials: Materials of the International meeting «Plaksin readings-2012»]. Petrozavodsk, 2012, pp. 291-292.
УДК 622.013.624.131.43
Зотеев О.В., Калмыков В.Н., Гоготин A.A., Зубков Ан.А., Зубков A.A.
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОТХОДОВ ОБОГАЩЕНИЯ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАКЛАДОЧНОГО МАССИВА В ВЫРАБОТАННОМ ПРОСТРАНСТВЕ КАРЬЕРА «УЧАЛИНСКИЙ»
Аннотация. Исчерпание емкости существующего хвостохранилища Учалинского ГОКа обусловило начало работ по изысканию новых мест складирования отходов обогащения. Необходимость предстоящей рекультивации Учалинского карьера подтолкнула к изучению возможности использования для этой цели чаши карьера, имеющего большой объём выработанного пространства. Однако в связи с отсутствием доступа на его нижние горизонты будет затруднен забор воды из Прудковой зоны, которая сформируется при сбросе текущих хвостов обогащения в чащу карьера, поэтому было приято решение перед складированием пульпы производить ее сгущение до пастообразного состояния.
Для разработки технологии складирования пастовой пульпы была произведена оценка физико-механических свойств сгущенных хвостов обогащения и определены характеристики закладочного массива. Также было установлено, что сгущенная пульпа отдает только часть свободной воды и даже при значительном уплотнении она не теряет своих реологических свойств и подвержена процессу текучести.
Ключевые слова: месторождение, паста, карьер, сгущение, угол растекания, водоотдача, водоприток, флокулянт, коль-матация, физико-механические свойства.
В настоящее время отвальные хвосты обогащения Учалинского горно-обогатительного комбината складируются в намывное хвостохранилище, которое входит в состав единой промышленной площадки предприятия. Однако его емкости будут выработаны в ближайшие годы, в связи с чем остро встал вопрос о
дальнейшем месте размещения отходов обогатительного передела. Исходя из того, что комбинат расположен в черте города Учалы, а территория вокруг него застроена, размещение нового намывного хвостохранилища возможно только на расстоянии 10-15 км, а это приведет к дополнительным затратам на гидро-
транспорт пульпы и оборотной воды. По этой причине было принято решение использовать в качестве емкости для складирования отходов обогащения отработанный карьер Учалинского месторождения, находящийся в непосредственной близости от фабрики. Также с точки зрения воздействия на окружающую среду использование выработанного пространства карьеров для размещения отходов положительно сказывается на экологической обстановке [1]. Один из основных факторов, осложняющих данное решение, это необходимость совмещения во времени процессов складирования пульпы в чаше карьера и доработки месторождения подземным способом. Исследованиями установлено, что для снижения нагрузки на подземный водоотлив Учалинского рудника и получения оборотной воды для обогатительного передела отвальные хвосты необходимо сгущать с использованием флоку-лянта до пастоообразной консистенции с максимальным содержанием твердого в получаемом продукте [2]. Анализ сложившейся в горнопромышленном комплексе структуры отходов свидетельствует о том, что до настоящего времени формирование техногенных объектов проводилось и проводится на основе традиционных требований к складированию отходов производства [3]. Однако в России нет опыта размещения сгущенных отходов обогащения в карьерном пространстве, подработанном подземными выработками, в связи с чем для разработки технологии формирования искусственного массива были изучены физико-механические характеристики складируемой пульпы и закономерности их изменения в процессе намыва.
Минералогический состав хвостов Учалинского ГОКа характерен для Уральских медноколчеданных месторождений: пирит - 58,93%; халькопирит - 0,78%; сфалерит - 0,96% и нерудные минералы - 39,33%. Химический состав хвостов по данным обогатительной фабрики УГОКа характеризуется следующими данными: Си - 0,13%; Zn - 0,54%; 8 - 30,18%; Аи -1,35 г/т; Ag - 18,48 г/т. В целом можно сказать, что основная масса хвостов не склонна к набуханию. Вода в хвостах может удерживаться только в поровом пространстве, а также в виде коллоидных пленок на глинистых частицах с размерами не более 5 мкм [2].
Изучение гранулометрического состава хвостов и их компрессионные испытания проводились лабораторией грунтоведения и дорожного строительства ГУЛ Институт «БашНИИстрой» по заданию ООО «Диор».
Результаты изучения гранулометрического состава приведены на рис. 1. Хорошая сходимость полученных кривых позволяет объединить их в одну генеральную совокупность и аппроксимировать степенной зависимостью вида
= 0,0006 • р
1,0648
(1)
нородности "л = Б60/010= 6,7. По гранулометрической классификации хвосты Учалинского ГОКа относятся к суглинистым или супесчаным грунтам.
г 0,16 г
0,14
3 0,08 а
я
— 0,04
30 40 50 60 70 Накопленная частость, %
Рис. 1. Кривые гранулометрического состава по пробам
Оценка физико-механических свойств отвальных хвостов обогащения производилась по известным методикам [5]. Показатели физико-механических свойств сведены в таблицу, а на рис. 2-5 приведены результаты компрессионных испытаний грунтов. Анализ приведенных данных позволяет установить зависимость осевых деформаций е от нормального давления ст (см. рис. 2), а также связь нормальных напряжений и модуля деформации хвостов Е (см. рис. 3):
£ = 0,0845<г°,8938; Е = 4,9621- е2'3845ст.
(2)
Испытания пористости п показали что, одна из проб резко отличается по опытным данным от двух других (см. рис. 4). Если использовать только две близкие пробы, то зависимость пористости от нормального давления можно аппроксимировать степенной зависимостью
п = 0,2489-ст
-0,0316
(3)
При приложении нагрузки изменение пористости (см. рис. 5) характеризуется близкими значениями для всех проб, что позволяет использовать эти результаты для оценки уплотняемости хвостов:
Дп = -0,0091п(ст) - 0.0322. (4)
Результаты испытаний физико-механических свойств
где di - диаметр частиц, мм; р - соответствующая этому диаметру накопленная частость на кумулятивной кривой грансостава.
Используя соотношение (1), легко подсчитать контролирующие диаметры и коэффициент неоднородности грунта = 7 мкм, Бп = 12,3 мкм, Б50 = 38,6 мкм, Б60 = 46,9 мкм, Б85 = 68 мкм и коэффициент неод-
Номера проб 1 2 3
Плотность хвостов в естественном 2,44 2,42 2,11
состоянии, г/см3
Плотность скелета хвостов, г/см3 2,43 2,41 2,10
Плотность скелета при оптималь-
ной влажности и максимальной 2,72 2,74 2,42
плотности, г/см3
Плотность минеральной части, г/см3 3,80 3,80 3,80
Пористость, % 28,42 27,89 36,32
0,18
0,12
0,1
0,06
0,02
0
Исследованиефизико-механическихсвойств отходов обогащения...
Зотеев О.В., Калмыков В.Н., Гоготин A.A. и др.
С .03 0.025 С .02 0.015 0,01 0.005
= 0,0845а1 R2 = 0.97[ .BSG?
4
л
J
0.D5 0.1 0.15
0.2 0.25 0.3
Давление. МПа
0.35 0.4 0,45 0.5
Рис. 2. Зависимость относительной деформации от нормального давления
18
ГС
п.
£ 16
х
э ГС 14
S
а.
о
Т+
О)
=1. 10
-
1
/
/
/
Е 4,9621е2,36455
R" = 0 ,7616
А
-d р
О 0,05 0,1 0,15 0.2 0,25- 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
Давление. МПа
Рис. 3. Зависимость модуля деформации от нормального давления
-0,0316
R2 = 0,9748
n = 0,2489а" = 2
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 Давление, МПа
-0,025 -0,02
-0,01 -0,005 0
0,005
*
/ An = -0,00 R2 9Ln(a 0,95 ) - 0,С 89 322
/
/
/
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 Давление, МПа
0,37
0,03
0,35
0,33
0,015
0,31
0,29
0,27
0,25
Рис. 4. Зависимость пористости от нормального давления
Добавление флокулянта в сгущаемую пульпу приводит к существенному изменению ее свойств. Так, одной из основных особенностей стало резкое увеличение угла растекания пульпы с 2-3 до 12-20 град в зависимости от плотности смеси.
Другая важная особенность заключается в низкой по сравнению с обычной пульпой водоотдаче: свободный сток воды составляет 13,8% от ее объема в пасте. В дальнейшем паста слабо уплотняется, причем освободившаяся вода отжимается наверх.
Сгущаемая с использованием флокулянта пульпа обладает повышенной способностью к кольматации поровых каналов. Если обычная пульпа без флокулянта практически полностью отдавала воду в перко-ляторе через фильтр, состоящий из песчаных фракций от 1 до 3 мм, то пастовая пульпа кольматировала слой заполнителя. Глубина кольматации составила 30 мм при высоте столба пульпы 1000 мм. Увеличение крупности частиц фильтра (от 1 до 5 мм) привело к увеличению глубины кольматации до 200 мм при практически полном отсутствии водоотдачи. При этом свободная вода отжималась над твердой частью пасты, мутность достигала 47 г/л.
Установлено, что пастовая пульпа обладает высокой подвижностью, т.е. ее перемещение по выработкам подобно переувлажненным глинам. В ходе опы-
Рис. 5. График снижения пористости от начального значения при увеличении нормального давления
тов паста подавалась в вертикальный став трубы, откуда двигалась по горизонтальному ставу. При этом не происходило ни интенсивной водоотдачи, ни консолидации пульпы, т.е. при возобновлении через двое суток подачи пульпы начиналось движение всей массы в горизонтальной трубе полным сечением. Соотношение длин горизонтального и вертикального ставов равно 1:8, что свидетельствует о высокой подвижности суспензии.
Компрессионные испытания пастообразной пульпы, необходимые для оценки ее уплотняемости и водоотдачи под давлением, были проведены по трем пробам (рис. 6, 7). Полученные уравнения связи деформаций и пористости пульпы под нагрузкой с учетом принципа несжимаемости грунтовой массы позволяют оценить ход заполнения карьера и формирующуюся нагрузку на водоотлив:
е = 0,2234а°,4306;
n = 0,4404а-°,°443, (5)
где ст - действующее вертикальное давление, МПа.
Анализ компрессионных испытаний, проведенных на образцах пульпы с использованием флокулянта, показал, что пористость материала и, как следствие, влажность значительно выше, чем у проб, взя-
тых с пляжа хвостохранилища. Также они обладают более высокой осевой деформацией при равнозначном давлении, что объясняется наличием капиллярной воды между частицами хвостов флокулы, за счет чего происходит снижение водоотдачи. Следствием повышения пористости будет снижение плотности и уменьшение объема твердого, размещаемого в выработанном пространстве карьера.
Давление, МПа
Рис. 6. Результаты компрессионных испытаний пастообразной пульпы
0.44-1----------,
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
Д1влен не, МПа
Рис. 7. Графикзависимости пористости пастообразной пульпы от давления
На основе полученных данных компрессионных испытаний сгущенного продукта была получена зависимость водопритока в подземный рудник от объемов размещаемой в карьере пульпы, имеющей угол растекания 12°. Поскольку часть заскладированной пульпы будет замерзать в зимний период и оттаивать в летний, объем отдаваемой воды будет меняться во времени. При расчетах глубина промерзания слоя принималась равной 2 м, а его последующее полное оттаивание - в течение месяца. С учетом этих условий были рассчитаны режимы водопритоков в рудник в двух вариантах: нормальный (без учета сезонного замерзания и оттаивания) и максимальный.
Максимальные водопритоки в подземный рудник прогнозируются в первый год подачи пульпы в выра
ботанное пространство карьера, это связано с быстрым заполнением южной части и увеличением толщины намытого массива до 80 м. После чего дебет воды снижается в связи с достижением массива в нижней его части состояния, в котором он становится несжимаемым.
Для изучения основных путей фильтрации, а также оценки изменения геодинамической обстановки и свойств массива по мере заполнения карьера было проведено численное моделирование его напряженно-деформированного состояния. Дополнительные деформации, обусловленные развитием горных работ или заполнением карьерной выемки шламами, пере-считывались в дополнительные деформации трещин разгрузки. При этом считалось, что расстояние между трещинами разгрузки определяется высотой рабочего уступа карьера (12 м), а раскрытия трещин на этой базе составляют 80% от дополнительных деформаций массива [5].
Проведенные исследования по определению физико-механических свойств сгущенных хвостов обогащения позволили определить исходные данные для разработки технологии формирования массива и прогноза водопротоков в подземные выработки:
- угол растекания пульпы - 12-14 град;
- водоотдачу массива - 13,8%.
- пористость и влажность закладочного массива, характер их изменения по мере заполнения выработанного пространства карьера.
Также было установлено, что сгущенная пульпа при уплотнении отдает только часть свободной воды, оставшаяся же ее часть сосредотачивается в порах между частицами хвостов, в связи с чем даже при значительном уплотнении она не теряет своих реологических свойств и подвержена процессу текучести. Исходя из этого необходимо уделить повышенное внимание к изоляции выработок подземного рудника.
Список литературы
1. Определение ценности техногенных георесурсов / Гавришев С.Е., Пыталев И.А., Заляднов В.Ю., Павлова Е.В. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2010. №2 (30). С. 5-8
2. Закладка отработанного пространства Учалинского карьера твердеющими смесями на основе отходов обогащения: Технологический регламент / ЗАО «Маггеоэксперт». Магнитогорск, 2011.
3. Емельяненко Е.А., Ангелова В.А., Емельяненко М.М. Разработка способа формирования техногенного образования из хвостов обогащения медно-колчеданных руд с заданными структурными характеристиками // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2012. №1. С. 13-16.
4. Зотеев В.Г., Зотеев О.В., Низамутдинова Е.О. Оценка физико-механических свойств несвязных грунтов, используемых при строительстве и реконструкции земляных плотин по их гранулометрическому составу // Водное хозяйство России. 2006. №3. С. 3-25.
5. Гидрогеологические и геомеханические условия формирования хвостохранилища в Главном карьере Высокогорского ГОКа / Зотеев В.Г., Зотеев О.В., КостероваТ.К., ТагильцевС.Н., ОсламенкоВ.В. // Изв. вузов. Горный журнал. 1995. №5. С. 111-121.
Сведения об авторах
Зотеев Олег Вадимович - д-р техн. наук, проф., зав. лабораторией геодинамики и горного давления, генеральный директор ООО «Инновационно-экспертный центр ИГД УрО РАН», г. Екатеринбург, Россия. Тел.: 8(922)208-69-84. E-mail: zoteev.o@mail.ru.
Калмыков Вячеслав Николаевич - д-р техн. наук, проф. зав. кафедрой подземной разработки месторождений полезных ископаемых ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Россия. Тел.: 8(3519)29-84-61, 29-84-66. E-mail: prmpi@magtu.ru.
Исследованиефизико-механическихсвойств отходов обогащения.
Зотеев О.В., Калмыков В.Н., Гоготин A.A. и др.
Гоготин Алексей Анатольевич - канд. техн. наук, ст. преподаватель кафедры подземной разработки месторождений полезных ископаемых ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Россия. Тел.: 8(3519)29-84-61, 29-84-66. E-mail: prmpi@magtu.ru.
Зубков Антон Анатольевич - канд. техн. наук, ст. преподаватель кафедры подземной разработки месторождений полезных ископаемых ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Россия. Тел.: 8(3519)29-84-61, 29-84-66. E-mail: prmpi@magtu.ru.
Зубков Артем Анатольевич - аспирант кафедры подземной разработки месторождений полезных ископаемых ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Россия. Тел.: 8(3519)29-84-61, 29-84-66. E-mail: prmpi@magtu.ru.
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
THE INVESTIGATION OF TAILINGS PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES FOR THE DEVELOPMENT OF THE METHOD OF FILLING SOLID MASS FORMING IN UCHALINSKY QUARRY WASTE AREA
Zoteev Oleg Vadimovich - D.Sc. (Eng.), Professor, Institute of mining of the Ural office of the Russian Academy of Sciences, Russia. Phone: 8(922)208-69-84. E-mail: zoteev.o@mail.ru.
Kalmykov Vyacheslav Nikolaevich - D.Sc. (Eng.), Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Russia. Phone: 8(3519)29-84-61, 29-84-66. E-mail: prmpi@magtu.ru.
Gogotin Alexey Anatolyevich - Ph.D. (Eng.), Associate Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Russia. Phone: 8(3519)29-84-61, 29-84-66. E-mail: prmpi@magtu.ru.
Zubkov Anton Anatolyevich - Ph.D. (Eng.), Associate Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Russia. Phone: 8(3519)29-84-61, 29-84-66. E-mail: prmpi@magtu.ru.
Zubkov Artem Anatolyevich - Postgraduate Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Russia. Phone: 8(3519)29-84-61, 29-84-66. E-mail: prmpi@magtu.ru
Abstract. The beginning of new tailings storage sites pioneering has been caused by the exhaustion of the existing tailing dump capacity at Uchalinsky Mining and Processing Plant. As a result of the necessity for the forthcoming Uchalinsky quarry restoration the possibility of using quarry bowls with a large amount of waste area was studied. However, the draught from the dam pond zone, which will be formed in the current tailings discharging into the quarry bowl, will be hampered due to the lack of access to its early levels. Therefore, it was decided to thicken the pulp to pasty-like conditioning before storing.
To develop pasty pulp storage technique the physical and mechanical properties of thickened tailings have been estimated and filling solid mass characteristics were identified. It has been found that thickened pulp yields only a part of gravity wafer and it does not lose their flow properties and is subject to the yielding even in substantial thickening.
Keywords: deposit, paste, quarry, condensation, spreading corner, water yield, water production, flocculant, mudding, physical and mechanical properties.
References
1. Gavrishev S.E., Pytalev I.A., Zalyadnov V.U., Pavlova E.V. Opredelenie cenosti tehnogennih georesursov. Vestnik Magnitogorskogo gosudar-stvennogo tehnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova. [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical Univeersity]. 2010, no. 2(30). pp. 5-8.
2. Zakladka otrabotannogo prostrsnstva Uchalinskogo kar'ra tverdeyushimi smesyami na osnove othodov obogasheniya: Tehnologicheskii reglament [Bookmark the waste of space Uchalinskoe career hardening mixtures based on tailings: Production schedules] Magnitogorsk, 2011.
3. Emelianenko E.A., Angelov V.A., Emelianenko M.M. Razrabotka sposoba formirovaniya tehnogennoya obrazovaniya iz hvostov obogasheniya medno-kolchedannih rud c zadnimy structurnimy kharakteristicami. Vestnik Magnito-gorskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova. [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical Univeersity]. 2012, no. 1, pp. 13-16.
4. Zoteev V.G., Zoteev O.V., Nizamutdinova E.O. Otcenka fizico-mechicheskih svoistv nesvyaznih gruntov, ispolzuemih pri stroitelstve I rekonsryksii zemlenih plotin granylometrichekomy sostavy. Vodnoe hozjajstvo Rossii. [Water economy of Russia]. 2006, no. 3, pp. 3-25.
5. Zoteev V.G., Zoteev O.V., Kosterova T.K., Tagiltsev S.N., Oslamenko V.V. Gidrogeologicheskie i geomehanicheskie usloviya formirovaniya hvostochranileshaha v Glavnom karyere Visokogorskogo GOKa. Mining Journal, 1995, no. 5, pp. 111-121.
