CC BY
23
СЕМИНАР 16
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© А.Е. Воробьев, Е.Н. Козырев, 2001
УДК 622.775
А.Е. Воробьев, Е.Н. Козырев
К МЕХАНИЗМУ ТЕХНОГЕННОГО РУДООБРАЗОВАНИЯ
С
ложные горно-геологи-ческие условия большинства рудных месторождений Северного Кавказа и широкое использование естественных методов управления горным массивом при выемке руд, а также высокая трудоемкость гор-но-подгото-вительных и добычных работ объясняют имеющиеся повышенные технологические потери руды и металлов, слагающие в дальнейшем техногенные месторождения. Так, на Садонском месторождении только с 1940 по 1967 гг. (когда осуществлялась наиболее интенсивная разработка) из-за разрушения горных выработок в потери было списано 305490 т руды, содержащей 16193 т свинца и 26201 т цинка. К настоящему времени в недрах Садонского и Какадур-Ханикомского месторождений потеряно руды до 2 млн т, РЬ более 50 тыс. т, 2п более 70 тыс. т. В бедных рудах Садонско-го месторождения сосредоточено не менее 50 % полиметаллов от добытого количества за годы функционирования рудника.
На Левобережном месторождении с 1969 по 1974 гг. при добыче 12757 т полиметаллической руды (со средним содержанием свинца 1,0 % и цинка 2,0-6,0 %) в выработанном пространстве было заложено 893 т руды (содержащей 9,2 т РЬ и 23 т 2п). При пол-
ной отработке имеющихся на этом месторождении минеральных запасов традиционными системами величина подобных потерь прогнозируется следующими показателями: руды 55 тыс. т, свинца до 1000 т, цинка до 2000 т.
Кроме значительных потерь руды при отработке рудных месторождений Северного Кавказа возникли существенные нарушения литосферы. Так, широкое применение комбинированных технологий разработки Тырныаузского месторождения в сочетании с естественным управлением состоянием горного массива обусловили необратимые его деформации. Выход зоны обрушения до отметок карьера привел к образованию воронок, оползней и обрушений. Количество воронок с диаметром до 40 м превышает на этом месторождении 120. Наиболее крупный из оползней на площади 10 га произошел между отм. 2725 и 2510 м в 1976 г. Тогда в зону обрушения попало основание откоса карьера, и борт пришел в движение. Объем сдвигающегося массива, в котором была расположена часть подземных выработок, оценивался в 15 млн м3.
Потерянные в недрах руды формируют техногенные месторождения (согласно идеологии выработанной академиком К.Н. Трубецким) пригодные для повторной разработки, прежде всего - методами физико-химической геотехнологии.
На Садонском руднике в формировании техногенных месторождений ведущую роль играет металлоносная закладка выработанных пространств.
На Холстинском руднике с начала его эксплуатации в 1956 г. в отработанном пространстве было накоплено более 80000 т металлосодержащей минеральной закладки, в которой содержится 0,5 % свинца и 0,7 % цинка.
В пустотах Урупского рудника выше горизонта 6 при эксплуатации также было потеряно 17,5 тыс. т цинка и меди. Под действием окислительных процессов закладочный материал часто спекается и приобретает дополнительную прочность. Воздействие шахтных вод также зачастую упрочняет металлоносную закладку и осложняет ее добычу традиционной технологией.
Рациональное и комплексное использование минеральных ресурсов предполагает разработку принципиально новой стратегии их освоения и базируется на следующих принципах:
1. Предварительная и целенаправленная геохимическая подготовка месторождений полезных ископаемых (расположенных на месте естественного залегания в литосфере) к последующему их освоению, проводимая еще на стадии геологоразведки.
2. Обеспечение техногенного геохимического воспроизводства минеральных ресурсов, как на дневной поверхности, так и в недрах.
Целенаправленное геохимическое улучшение исходных свойств полезных ископаемых может быть классифицировано по ряду признаков:
• по механизму преобразований горных пород и минералов -химическое, электрохимическое, микробиологическое и механическое;
• по способу осуществления миграции - с помощью гравита-
ционных, электромагнитных, тепловых, радиоактивных и других сил;
• по виду активных агентов -минеральные и органические кислоты, щелочи (например, гидроокиси аммония и натрия), соли (сульфат и хлорид трехвалентного железа, карбонат, хлорид, цианид, сульфид и тиосульфат натрия и др.), растворенные в воде газы (главным образом, аммиак, двуокись серы, хлор и кислород).
Практическое применение данных принципов возможно на основе следующих положений.
Так, геохимическая подготовка месторождений полезных ископаемых, расположенных в глубинах литосферы, может быть обеспечена процессами природного вскрытия тонкодисперсной минерализации. Значительная часть из рудных месторождений с трудно-обогатимыми рудами, вследствие отсутствия эффективной и промышленно освоенной технологии переработки подобного сырья, относится к резервным. Поэтому целесообразны разработка и предварительное использование технологий, позволяющих с течением времени (под действием природных химических агентов, естественного электрического тока, физического выветривания и т.д.) обеспечить хотя бы частичное вскрытие руд на месте их залегания в литосфере.
В частности, предварительную геохимическую подготовку месторождений (особенно, после вскрытия открытыми выработками) можно обеспечить обработкой их руд водой, содержащей легко кристаллизующиеся соли, увеличивающие при этом свой объем. При осуществлении этого процесса происходит миграция и распределение (насыщение пор, межкри-сталлических дефектов, трещин и т.д.) в массиве некондиционных руд легкорастворимых солей, где после прекращения подачи растворов обеспечивается их осажде-
ние с одновременным увеличением объема, что приводит к частичному механическому разрушению изначально некондиционных руд и раскрытию мелкодисперсной минерализации.
Кроме этого, значительную часть резервных месторождений России слагают руды с повышенным содержанием органических соединений (прежде всего, углистого вещества) и технологически вредных примесей (мышьяка, сурьмы и т.д.). Технологии, позволяющие снизить содержание подобных нежелательных примесей в минеральном сырье (например, под процессами окисления или естественного селективного выщелачивания) еще в период его залегания в недрах литосферы, также необходимо отнести к числу приоритетных направлений совершенствования горных работ.
Но самой главной особенностью разработанной стратегии является перераспределение полезных компонентов в горном массиве до образования техногенных руд или другого промышленно значимого минерального сырья.
Согласно выработанной нами идеологии, основой совершенствования горных технологий в настоящее время должен быть традиционный для сельского хозяйства и биосферы в целом концепт "воспроизводства". Как и для живых биологических объектов биосферы, воспроизводство минеральных ресурсов происходит, прежде всего, в результате процессов миграции и концентрации вещества, рассеянного в пространстве, а также изменения его исходного качества. Таким образом, ресурсовоспроизводящие горные технологии предусматривают не количественное получение новых, а только перераспределение имеющихся элементов в пространстве горного массива или преобразование (улучше-ние) ис-
ходных свойств минерального сырья.
Масштабы предварительной геохимической подготовки месторождений полезных ископаемых, а также техногенное воспроизводство минерального сырья зависят от многих факторов, наиболее существенными из которых являются:
• содержание металлов в рудах и вмещающих породах;
• гранулометрический состав руд;
• вещественный состав и физико-механические характеристики вмещающих пород;
• геолого-структурные и морфологические особенности залегания рудных тел или зон;
• состав и тип используемых для перераспределения элементов активных агентов;
• формы миграции и концентрации металлов (полез-ных компонентов);
• состав, физико-хими-ческие свойства и гидродинамические характеристики металлоносных растворов;
• вид и показатели геохимических барьеров.
Целенаправленное улучшение свойств полезных ископаемых в горном массиве - это геохимический процесс, включающий отделение (с помощью активных агентов или воды) одного или нескольких ценных компонентов от породы, миграцию металлоносных растворов и осаждение полезных компонентов в локализованном объеме под действием геохимических барьеров. При этом целью улучшения свойств полезных ископаемых является внутримассив-ное обогащение ограниченной части до промышленных значений, что дает возможность получения техногенных руд с последующим их вовлечением в металлургический передел.
Необходимо отметить, что наиболее эффективным для перераспределения металлов является использование природных актив-
ных агентов, образующихся непосредственно в горном массиве. В осуществлении этого процесса существенным элементом механизма техногенного рудообразования служат геохимические барьеры, т.е. зоны с резко различающимися геохимическими свойствами. Осаждение большинства металлов в горном массиве возможно на таких барьерах, как гидродинамический, сорбционный, окислительный, восстановительный, кислый, щелочной, радиационно-химический, испарительный.
Например, гидродинамический барьер весьма эффективен при перераспределении как малорастворимых благородных металлов (золота, платины и т.д.), так и легкорастворимых полезных компонентов (урана, меди, цинка, свинца и т.д.), даже в химически одинаковой вмещающей среде. В этом случае взрывными технологиями создают фильтрационную неоднородность: обеспечивая в зоне выщелачивания металлосодержащих пород более проницаемую среду (например, свыше 30 см/ч), а в зоне концентрации полезного компонента - менее проницаемую (ниже 5 см/ч). Кроме резкого изменения интенсивности миграции потока вод образуемый гидродинамический барьер характеризуется также изменением рН и Eh растворов. При этом возникает четко выраженная корреляция образования техногенных руд и уровней гидродинамического стягивания потоков.
В результате максимальная концентрация техногенных руд будет приурочена к участку подошвы малопроницаемых горизонтов, менее богатые руды образуются несколько ниже, а еще ниже могут возникнуть бедные вкрапленные руды.
Для практического осуществления технологии ресурсовопроиз-водства кроме гидродинамического целесообразно использование и
физико-химических барьеров. В данном случае возможны два принципиальных варианта - образование (или усиление имеющихся возможностей) в горном массиве техногенных геохимических барьеров (например, закачкой через скважины растворов с определенными веществами) или техногенное смешение растворов, предварительно пропускаемых через зоны месторождения с резко различными свойствами и содержанием металлов. Последний вариант наиболее целесообразен при осуществлении воспроизводства минеральных ресурсов на сложноструктурных месторождениях полезных ископаемых. Например, при наличии переслаивания контрастно различающихся по составу (а, следовательно и по свойствам) пород - сульфидов и карбонатов, кислых и основных гнейсов и сланцев, графит- и пиритсодержащих сланцев и т.д.
Так, при прохождении растворов активных агентов через и-РЬ-содержащие (0,005 %) лейкократо-вые безуглеродистые породы происходит их насыщение находящимся там ураном и свинцом. Дальнейшее проникновение этих металлоносных растворов в черные углеродсодержащие сланцы (или при смешении с растворами прошедшими через них) приводит к отложению настурана (0,08 %) и галенита (1,5 %).
Условия природного выщелачивания металлов во многом определяются сдвижением земной поверхности, которое под влиянием горных работ на рудниках Северного Кавказа проявляется в форме воронок обрушения. Зоны обрушения служат естественными водотоками для ливневых вод: при их площади в первые десятки тысяч квадратных метров, дополнительные водопритоки в выработки достигают значений 350-750 м3/ч. Поэтому потоки рудничных вод на нагорном рельефе местности формируются, прежде всего, атмо-
сферными осадками. Осадки, поступающие во вновь образованные воронки обрушения, достигают горных выработок за 3-4 часа, а воронки прежних лет - за 6-10 часов. Атмосферные осадки на пути движения сквозь трещиноватые и нарушенные горными работами породы, насыщаются металлами и выносят их на дневную поверхность.
Интенсивность процессов выщелачивания неравномерна, что связано с переменным характером минерализации и различной открытостью рудных минералов для воздуха, воды и других активных агентов. Время насыщения вод полиметаллами колеблется от 4 до 18 часов. Концентрация металлов в стоках верхних горизонтов Садонского месторождения составляет от 1,0 до 7,3 г/дм3 цинка и 0,007-0,015 г/дм3 свинца (при рН=1-5). В дальнейшем они смешиваются водами, поступающими с поверхности, в связи с чем объем гидродинамического потока на устье штолен составляет 50-60 м3/ч, при рН=5,5-6,0, а содержание цинка - 60-70 мг/дм3 и свинца - 6,5-7,0 мг/дм3.
В недрах полиметаллических месторождений Северной Осетии отмечены следующие закономерности, объясняющие механизм естественного выщелачивания полиметаллов:
• поверхностные (атмосферные) воды проникают в пустоты (горные выработки) через тектонические нарушения и зоны обрушений;
• в пустотах месторождений окислительные процессы сопровождаются переходом полиметаллов в рудничные воды обычно в сульфатной форме, имеющей высокую растворимость в воде;
• объемов воды попадая в отработанные пространства смешиваются с высокоминерализованными водами из пустот и выносят из недр полиметаллы в количест-
вах, превышающих ПДК в десятки и сотни раз.
По сходному механизму происходит растворение руд и на других рудниках.
Если насыщение рудничных вод полиметаллами обеспечивается, прежде всего, при их движении через пустоты с потерянными или заложенными рудами (причем в некоторых зонах оно достигает по цинку 5,2 кг/м3), то
при встрече с карбонатными породами происходит переотложе-ние гидроксидов и карбонатов цинка. Такие отложения содержат до 42-45 % цинка, что дает основание использования подобных природных физикохимических процессов для целенаправленного создания промышленных техногенных месторождений в глубинах литосферы.
Естественное смешение кислых и щелочных вод также изменяет рН среды и сопровождается осаждением полиметаллов. Когда рудничные воды (перенося минеральные вещества) смешиваются с щелочными водами, то металлы осаждаются в пределах локальных участков, блоков и выработок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Козырев Е.Н., Воробьев А.Е. Конверсия рудников Северного Кавказа и физико-химическое геотехнологиче-ское получение металлов. Владикавказ. Ремарко, 2000. 200 с.
2. Воробьев А.Е., Козырев Е.Н. Технологии воспроиз-
в°д(Д
КО
3. Воробьев А.Е., Козырев Е.Н. Геохимические рудо-подготовки месторождений к освоению, осуществляемые на месте их природного залегания. Доклады международной конференции «Освоение недр и экологические проблемы -взгляд в XXI век». М., 2000. С 150-155._______________О,
Воробьев Александр Егорович - профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет.
Козырев Евгений Николаевич — профессор, доктор технических наук, Северо-Кавказский государственный технологический университет.
