CC BY
126
© В.А. Ангелов, Е.И. Ангслова, К.А. Аверьянов, 2012
УДК 549:622.775
В.А. Ангелов, Е.И. Ангелова, К.А. Аверьянов
ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ВЕЩЕСТВЕННОГО СОСТАВА ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ МЕДНО-КОЛЧЕДАННЫХ РУД УЧАЛИНСКОЙ ОБОГАТИТЕЛЬНОЙ ФАБРИКИ*
Изложены результаты лабораторных исследований, направленных на изучение особенностей вещественного состава и технологических характеристик техногенного сырья, образующегося в цикле обогащения на Учалинском ГОКе. Кроме этого приводится подробная характеристика хвостохранилища Учалинского ГОКа с указанием запасов ценных компонентов сконцентрированных в нем. Использование методов петрографо-минералогических исследований, а также результаты химического и гранулометрического анализа позволяют сделать вывод о необходимости рассмотрения хвостохранилища Учалинского ГОКа в качестве техногенного месторождения, с вовлечением его в повторную переработку физико-химическими геотехнологиями.
Ключевые слова: хвостохранилище, техногенное месторождение, активная утилизация отходов, хвосты обогащения, минеральный и химический состав.
Интенсивную деятельность горных предприятий, осваивающих рудное сырье Урала, по масштабам и глубине воздействия на окружающую среду можно приравнять к мощным геологическим и техногенным процессам, под влиянием которых геосфера преобразуется в техногео-сферу. Горно-добывающий и перерабатывающий комплекс Южного Урала, являясь важнейшей составляющей Уральского промышленного региона, имеет наиболее явно выраженную техногеосферу, так как характеризуется чрезвычайно высокой концентрацией промышленного производства.
На территории Челябинской области и Башкортостана концентрируется огромное количество хранилищ хвостов обогащения руд. К примеру, на предприятиях Учалинского ГОКа в хвостохранилищах складиро-
вано около 50 млн т отходов обогащения медно-колчеданных руд, соответственно в Сибайском филиале Учалинского ГОКа - 23 млн т, на Бурибаевском ГОКе - 6,5 млн т [1, 2]. Причем, динамика добычи медьсодержащих руд на этих предприятиях характеризуется постоянным изменением и нестабильностью качественного состава сырья, поступающего на переработку. Для эффективной переработки такого сырья на обогатительных фабриках принимаются сложные и развернутые схемы обогащения. Однако, несмотря на постоянное совершенствование процессов флотации, значительная часть ценных компонентов теряется с хвостами обогащения медно-колче-данных руд, которые размещаются в поверхностные хвостохранилища намывного типа.
* Исследования выполняются при поддержке Минобрнауки России (ГК 16.515.11.5065). 362
Выполненными исследованиями [3] показано, что содержание ценных компонентов и общий объем накопленных в техногенном сырье этих предприятий металлов часто сопоставим качеством руд перспективных месторождений, вовлекаемых в настоящее время в разработку. Это свидетельствует о целесообразности рассмотрения хвостохранилищ отходов обогащения в качестве альтернативных источников минерального сырья.
Каждое техногенное месторождение, как в прочем и природное, является уникальным. Особенности вещественного состава природных руд и, соответственно, накопленных в результате их переработки техногенных отходов предопределяют необходимость дифференцированного подхода к вовлечению техногенных образований в промышленную эксплуатацию. Для эффективного и максимально полного использования промышленных отходов необходима разработка проектных решений по вовлечению техногенных месторождений в промышленную эксплуатацию с учетом изучения технологических свойств природного и техногенного сырья.
Исследование минерального и химического состава сырья техногенных образований, особенностей структурных характеристик массива, условий формирования, складирования и хранения отходов, а также установление закономерностей образования вторичных медьсодержащих минералов, позволяет определить наиболее вероятные места их скопления, выбрать наиболее рациональные технологические решения по его вовлечению в эксплуатацию, провести эколо-го-экономическую оценку каждого класса минералов, что будет способствовать выбору наиболее эффективной технологии разработки техноген-
ных месторождений для выбора технологий их комплексной разработки.
Объектом исследований являлись хвосты обогащения Учалинской обогатительной фабрики. Цель работы — изучение особенностей вещественного состава и технологических характеристик техногенного сырья для выбора технологии его комплексной разработки.
В настоящее время на Учалинском ГОКе текущие хвосты обогащения руд гидравлическим транспортом доставляются в хвостохранилище, расположенное в 1 км от обогатительной фабрики. Хвостохранилище относится к равнинному типу, располагается на местности с малопересеченным рельефом. По способу формирования оно является намывным, т.к. первоначально возводилась первичная дамба обвалования небольшой высоты. Дальнейшее увеличение высоты ограждающей дамбы производится путем намыва хвостов в течении всего периода эксплуатации хвосто-хранилища.
Хвостохранилище состоит из двух отсеков общим объемом 25 млн м3 и площадью 113 га. Хранилище введено в эксплуатацию в 1968 году. Кроме пульпы оно принимает шахтные, подотвальные и сточные воды промышленной площадки Учалинского комбината, а также служит для отстоя и создания водооборота технологической воды. Мощность уложенных в хвостохранилище хвостов составляет 17—24 м. По состоянию на 01.01.2009 г. объем накопления отходов в хранилище оценено около 50 млн. т, запасы и содержание в них ценных компонентов приведено в табл. 1.
В соответствии с геохимической классификацией А. И. Перельмана [4] хвостохранилище Учалинского ГОКа представляет собой пустын-
Таблица 1
Запасы ценных компонентов в хвостохраннлнше Учалннского ГОКа
Наименование полезных Ед. изм. Запасы Содержание полезных компонен-
Отвальные хвосты в них тыс. т 40793,5
меди т 120396,0 0,30
цинка т 247389,0 0,61
серы тыс. т 13148,5 32,23
золота кг 52732,8 1,29
серебра кг 775915,4 19,02
кадмия т 1163,7 0,00285
селена т 1904,9 0,00467
теллура т 2188,6 0,00537
индия т 183,8 0,00045
барита т 486124,0 1,19
Таблица 2
Хнмнческнй состав отходов обогашення
Отходы обогащения Содержание полезных компонентов, %
Си гп Ре Б
Пиритный концентрат 0,21 0,9 30 38,37
Текущие хвосты 0,3 0,8 30 35
ный техногенный ландшафт, образованный намывными тонкодисперсными отходами обогащения колчеданных руд. На территории хвосто-хранилища выделено несколько геоморфологических зон: склоновая, надводная и подводная. Преобладающей является надводная зона. Поэтому ландшафт относится к су-пераквальному. Антропогенное воздействие направлено на перераспределение и трансформацию вещества и энергии в природе. Масштаб воздействия - локальный. Генезис -физико-химический. Интенсивность изменения - средняя. Для хвостохра-нилища характерны физико-химические, коллоидные, техногенные (трубопроводы) виды миграции элементов. Дандшафт хвостохранилища подвержен воздушной эрозии и характеризуется современными эоловыми отложениями. Обстановка - сернокислая. Окислительно-восстановительный потенциал варьирует в пределах от 3,5 до 4,6. Набор типоморфных элементов - Н+, НБ04, Э042-, Си2+, Ге2+, Ге3+.
Для разработки технологии вовлечения техногенного сырья в эффективную промышленную эксплуатацию были проведены исследования гранулометрического состава и технологических свойств хвостов обогащения медно-колчеданных руд, имеющих преимущественно пиритный состав, и собственно пиритного концентрата, складируемого в настоящее время в отвалах, ввиду отсутствия на него коммерческого спроса.
Выполненный анализ гранулометрического состава текущих хвостов обогащения медно-колчеданных руд показал, что основная масса продукта представлена частицами +0,044-0,074мм. Класс крупности -0,044мм составляет 9,3 %, а класс крупности +0,1 - 3,3 % от общей массы хвостов (рис. 1 а), при этом средний медианный размер зерен находиться пределах 62 мкм. Поэтому текущие хвосты обогащения классифицируются как техногенные алевриты. Гранулометрический анализ пиритного концентрата показал, что данный материал
сложен на 55,6 % частицами размером -0,074+0,044мм, на 16 % представлен классом -0,044+0 мм и на 20,6 % — классом -0,1+0,074 мм (рис. 1, б). За длительный период хранения в отвалах в пиритном концентрате начались процессы окисления и разрушения. В соответствии с диаграммой гранулометрического состава обломочных пород, пиритный концентрат классифицируется как техногенный песчано-глинистый алеврит.
Изучение физико-механических свойств текущих хвостов обогащения руд и пиритного концентрата показало, что истинная плотность хвостов, определенная пикнометрическим способом, составила 3,8 г/см3, средняя плотность хвостов — 2,2 г/см3, влажность — 44,5-50,5 %.
-100+74 -74+44
Классы крупности, мкм
Рис. 1. Гранулометрический состав: а —
текущих хвостов обогащения; б — пиритно-го концентрата
Химический состав усредненных проб текущих хвостов обогащения и пиритного концентрата, отобранных из отвала пиритного концентрата и на фабрике Учалинского ГОКа, приведен в табл. 2.
Из цветных металлов в данных техногенных продуктах преобладает цинк (0,9 % и 0,8 %), которого больше чем меди (0,21 % и 0,3 %) (табл. 2). Превышение содержания цинка над медью в пиритном концентрате — в 4,5 раза, а в текущих хвостах обогащения — в 2,5 раза. Медь и цинк входят в состав основных рудообра-зующих минералов.
Содержание железа в отходах обогащения руд и пиритном концентрате составляет 30 %, сера представлена соответственно сульфидной (37,84 % и 34,6 %), и сульфатной (0,53 % и 0,4 %) формами.
Наряду с указанными «базовыми» компонентами, техногенные отходы содержат комплекс элементов, в том числе: благородные металлы (золото, серебро, платину), селен, теллур, германий, весь спектр редких и рассеянных элементов (таблица 1).
Для оценки возможности последующего использования данного технологического сырья были проведены исследования его минерального состава и петрографических особенностей.
По результатам рентгенофазового анализа, выполненного в лаборатории дефектоскопии ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», и минералографического анализа, который проводился в лаборатории технической петрографии «Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова», установлено, что основная масса отходов обогащения представлена сульфидами — 65-75 %.
100
В текущих хвостах обогащения медно-колчеданных руд присутствуют следующие минералы цветных металлов: халькопирит — 0,86-1 %, сфалерит — 1,2 %. В пробе также встречаются следы ковеллина. Исследованиями под микроскопом установлено, что 19,1 % халькопирита находится в свободных зернах; 80,9 % отмечается в сростках, в основном в классах крупности -0,044 мм — 0,02 мм и -0,01 мм.
Главными минералами меди и цинка в пиритных концентратах являются: сфалерит - 1,3 - 1,5 %, халькопирит - 0,6 %. В результате хранения на поверхности пиритного концентрата наблюдается развитие гидроокислов железа. Нерудная фракция пиритного концентрата сложена зернами кварца и фаялита, гипса и гил-лебрандита. В пробе также встречаются следы ковеллина, борнита и халькозина. Нерудные минералы в пиритном концентрате составляют 78 % от общей массы, в текущих хвостах - до 15 % .
В процессе рудоподготовки под влиянием внешних механических сил происходит раскрытие минеральных агрегатов с образованием минеральных зерен и их сростков. С понижением тонины помола количество сростков уменьшается. В конечном продукте измельчения доля минеральных сростков не превышает 10 % от общей массы.
Форма измельченного продукта зависит от механических характеристик минеральных агрегатов. Хрупкие сульфиды и вмещающие породы образуют осколки угловатых очертаний (рис. 2).
В хвостах преобладают сростки халькопирита с пиритом, а также халькопирита с пиритом и сфалеритом. Размер зерен рудных минералов в этих сростках колеблется
от 0,001 до 0,04 мм. (рис. 3). Отмечены единичные зерна сфалерита и халькопирита. Сфалерит на 35,4 % представлен свободными зернами размерами от 0,002 до 0,08 мм; 64,6 % сфалерита отмечается в сростках с пиритом в классах крупности -0,044 мм, -0,02 мм и -0,01 мм. Минеральные сростки медно-цинково-колчеданных руд, обычно, относятся к срастаниям одного и более минералов [5]. После процесса доизмельчения в исследуемых пробах минеральные сростки разных классов крупности отличаются размером, формой и характером пространственного размещения слагающих их минеральных индивидов. При этом минеральные сростки обладают металл коллоидными реликтовыми структурами и структурами кристаллизации, замещения, распада твердых растворов и преобразования.
При исследовании проб пиритно-го концентрата установлено, что во фракции +0,25 мм преобладают нерудные минералы (60-55 %), соответственно количество рудных минералов составляет 40-45 %. Нерудные минералы представлены кварцем, хлоритом, эпидотом и кальцитом. Основным рудным минералом является пирит. Он представлен минеральными агрегатами и зёрнами или их обломками в соотношении 3:1. Минеральные агрегаты представлены сростками зерен пирита с кварцем, сфалеритом, халькопиритом (рис.4). Поверхность пирита, в основном, неизменна, но иногда наблюдается пленка окисления. В пробах пиритного концентрата фракций -0,25 +0,1 мм, -0,1 +0,07 мм -0,071 +0,044 мм количество рудных минералов возрастает до 60 %, а нерудных соответственно понижается до 40 % (рис. 5).
Рис. 2. Форма минеральных включений в хвостах обогащения
Рис. 3. Сростки пирита, халькопирита и сфалерита пол микроскопом, увеличение 1000
Рис. 4. Сростки пирита, кварца, сфалерита и халькопирита
Рис. 5. Минеральный сросток халькопирита (желтое) и пирита (белое)
В целом, результаты проведенных исследований показали, что хвосто-хранилище Учалинского ГОКа представляет огромный интерес с ресурсной точки зрения. Это предопределяет необходимость рассмотрения его в качестве техногенного месторождения. Исследуемый объект состоит из отходов обогащения на 65-75 % представленных упорными сульфидными минералами с тонкой вкрапленностью. При переработке данного тонкодисперсного материала традиционными методами обогащения необходимо очень тонкое измельчение (до 10-40 мкм), что требует дополнительных затрат. Для извлечения ценных компонентов из отходов обогащения руд предложено сернокислотное выщелачивание с предварительным закислением техногенного сырья раствором серной кислоты концентрацией до 10 % и последующим применением физико-технических и физико-химических методов интенсификации.
Кроме этого, исследованиями было установлено, что развитие минералов меди и цинка происходит преимущественно по трещинам, что способствует благоприятному течению процесса выщелачивания, так как
обеспечивает возможность доступа растворителя к ценным компонентам, а появление сульфатных форм минералов в пиритном концентрате в ходе его хранения указывает на уже начавшийся процесс окисления, что также способствует интенсификации физико-химических процессов. По-
следнее указывает на необходимость принятия неотложных мер по вовлечению хвостов обогащения медно-колчеданных руд в промышленную эксплуатацию для исключения потери качества техногенного сырья, миграции металлов в окружающую среду и ее загрязнения.
1. Яковлев В.Л., Бастан П.П. Техногенные месторождения России // Горный журнал. - 1996. — № 10-11. - С. 146-157;
2. Лещиков В.И. Техногенные образования на Урале (проблемы оценки, хранения, использования, экологическая безопасность). // Техногенные россыпи. Проблемы. Решения: Труды Первой Междунар. науч. — практич. конф. (Симферополь-Судак, 2001г.) - Симферополь: Крымское отд. Украинского гос. геологоразведочного ин-та, 2002. - С. 72-78;
3. Каплунов Д.Р., Рубан А.Д., Рыль-никова М.В. Комплексное освоение недр комбинированными геотехнологиями.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Под ред. Акад. РАН К.Н. Трубецкого. — М.: ООО НИИЦ «Недра — XXI». 2010. — 304 с.
4. Перельман А.И. Геохимия // М.: Высшая школа — 1989.
5. Емельяненко Е.А., Горбатова Е.А. Технологическая характеристика хвостов обогащения Учалинского горно-обогатительного комбината. // Комбинированная геотехнология: комплексное освоение и сохранение недр земли: Труды V Междунар. нучн. — практич. конф (Екатебринбург 22—26 июня 2009 г.) — Магнитогорск, 2011. — С. 84—91. ЕИЭ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Ангелов Валерий Андреевич — аспирант, е-шаП: [email protected], Ангелова Елена Ивановна — аспирант, Аверьянов Константин Анатольевич — аспирант,
Магнитогорский государственный технический университет им Г.И. Носова.
ГОРНЯЦКОЕ АРГО
КОРОНКА — сменный наконечник на забурнике. КОРУЦИЯ (КОРОСТА) — ДКНД. КОРЧАГИН — кирка.
КОСТЕР (КДЕТЬ) — конструкция в виде сруба, выкладывается из деревянных стоек — предназначена для поддержания кровли.
КОШКА — самодельный примитивный тормоз для удержания оборвавшегося вагона.
КРОВДЯ — расположенные выше пласта угля пласты породы, различные по мощности и по крепости; собственно, не жаргонизм, а официальный термин.
КС — официально: участок «Конвейерная служба» (на некоторых шахтах УКТ), неофициально: королевская служба.
КУСТ — вид обрезного крепления из 3-4 деревянных стоек; применялся в лавах с ручной навалкой, сейчас используется для усиления крепления сопряжения лав со штреками.
