CC BY
72
УДК: 622.771:622.273.2:5
© М.В. Рыльникова, В. А. Ангелов, И.С. Туркин, 2014
ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ И КОМПЛЕКСА ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ТЕКУЩИХ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ В ВЫРАБОТАННОМ ПОДЗЕМНОМ ПРОСТРАНСТВЕ*
Современные темпы роста производительности горнодобывающих предприятий ведут за собой формирование на земной поверхности все новых складов вскрышных пород, наливных и намывных хвостохранилищ отходов переработки руд, оказывающих негативное воздействие на живую природу, в том числе и на человека. Анализ практики складирования отходов обогащения указал на то, что наибольшее распространение получил способ гидронамыва, который заключается в подаче пульпы, содержащей твердую и жидкую фазы, к месту сброса. Предприятия тратят колоссальные средства на выплату экологических платежей, эксплуатацию хвостохранилищ и поддержание его бортов работоспособном состоянии. Проведен анализ накоплений отходов переработки руд на дневной поверхности и влияния их на окружающую среду. Рассмотрен опыт складирования отходов отечественными и зарубежными предприятиями. Разработана технология утилизации отходов переработки руд в выработанном пространстве с применением вертикальных сгустителей, расположенных в подземном пространстве рудника. Произведена оценка эффективной работы вертикальных сгустителей по сгущению тонкодисперсных отходов переработки руд.
Ключевые слова: закладка выработанного пространства, отходы добычи руды, отходы переработки руд, подземный закладочный комплекс, вертикальный сгуститель, флокулянт, технологическая схема
Основное содержание статьи
В настоящее время проблема эффективного размещения дисперсных отходов обогащения является весьма актуальной для горно-обогатительных предприятий с экономической и экологической точек зрения. Для предотвращения развития экстенсивного накопления отходов производства на дневной поверхности не-
* Работа выполнена при поддержке Программы фундаментальных исследований отделения наук о Земле РАН ОНЗ-З.
обходимо особое внимание уделять вопросам рационального их складирования и утилизации.
Анализ практики складирования отходов обогащения указал на то, что наибольшее распространение получил способ гидронамыва, который заключается в подаче пульпы, содержащей твердую и жидкую фазы, к месту сброса. Тем самым на земной поверхности формируются огромные по занимаемой площади хранилища отходов обогатительного производства, оказывающие негативное воздействие на живую природу, в том числе и на человека [1].
Однако, имеется и положительный опыт использования горными предприятиями текущих отходов обогатительного производства в качестве наполнителя для твердеющей закладки выработанного подземного пространства [1, 2, 3]. Так, например, использование хвостов обогащения для гидравлической (ОАО «КМА руда») и твердеющей (Учалинский ГОК, Гайский ГОК, Норильский никель) закладки подземных камер позволяет существенно сократить затраты на формирование искусственного массива.
К достоинствам таких схем следует отнести использование доступного дешевого наполнителя смесей, утилизацию хвостов и, как следствие, сокращение налога за размещение отходов, снижение негативного экологического воздействия на окружающую среду. Недостатками является высокая энерго- и материалоемкость операций обезвоживания компонентов в закладочной смеси.
С этих позиций перспективой развития закладки выработанного пространства является изыскание комплекса оборудования, способного размещаться в подземном выработанном пространстве отходов горного и металлургического производств с возможностью обеспечения требуемых реологических характеристик закладочной смеси и необходимой производительности закладочного комплекса рудника.
Изыскание нового оборудования для обезвоживания текущих хвостов обогащения руд в подземных горных выработках является весьма актуальной задачей и представляет большой научный и практический интерес.
Анализ мирового опыта сгущения тонкодисперсных материалов указал на то, что для сгущения хвостов обогащения в подземных выработках наиболее целесообразны вертикальные сгу-
стители, нашедшие применение в зарубежной практике сгущения хвостов на поверхности [2]. Вертикальные сгустители способны осуществить процесс обезвоживания до 60 % при сравнительно небольших габаритных размерах. Однако, прецедентов по установке и эффективной работе вертикальных сгустителей в подземных выработках до настоящего времени не было.
В лабораторных условиях нами была разработана конструкция вертикального шахтного сгустителя (рис. 1).
При разработке устройства за основу был принят принцип тонкослойного сгущения с применением наклонных пластин. Корпус сгустителя был максимально адаптирован для установки в подземных выработках. Разработанный сгуститель состоит из двух основных компонентов: верхнего модуля 1 (рис. 1) с пластинами 2, наклоненными под углом 55 градусов, и нижнего конического пирамидального накопителя сгущенного продукта 3.
Для обоснования рациональных режимов работы сгустителя и разработки технологической схемы его функционирования в лаборатории был смоделирован процесс работы вертикального шахтного сгустителя. На рис. 2 приведен общий вид лабораторной установки.
Рис. 1. Пилотная модель вертикального сгустителя: 1 - верхний модуль; 2 -наклонные пластины; 3 - накопитель сгущенного продукта; 4 - питающий карман; 5 - питающий патрубок; 6 - патрубок для разгрузки сгущенного продукта; 7 - патрубки для слива осветленной жидкости; 8 - опорная конструкция
Таблица 1
Характеристики хвостов обогащения Учалинской обогатительной фабрики
рН 11—12
Плотность пульпы Ситовой состав Плотность твердого Содержание твердого в питании от 1,107 до 1,258 84 % минус 74 мкм 38 % минус 25мкм 3,8 т/м3 от 20 до 25 %,
Для исследований были выбраны текущие хвосты обогащения Учалинской обогатительной фабрики, основные характеристики которых приведены в табл. 1.
На первоначальном этапе лабораторного исследования в емкости 2 (рис. 2) осуществлялось приготовление исходного питания сгустителя путем доведения рассчитанного количества материала до 20-25 % твердого с использованием механического устройства для перемешивания смесей.
Исходное питание поступало непрерывно посредством центробежного насоса 1 (рис. 2) в питающий карман 4, расположенный в центральной части верхнего модуля 1 и далее через питающие отверстия — в камеру с наклонными пластинами, где происходил непосредственно процесс сгущения тонкодисперсной смеси.
Такой метод подачи питания обеспечивал равномерное распределение потока между всеми пластинами при минимальной турбулентности потока в точках входа. Твердая фаза осаждалась на поверхности наклонных пластин и разгружа-
Рис. 2. Общий вид лабораторной установки: 1 - центробежный насос; 2 - емкость для текущих хвостов обогащения; 3 - пилотная модель вертикального сгустителя; 4 - подающий трубопровод (напорный); 5 - всасывающий трубопровод
Рис. 3. Наличие мелкодисперсных частиц в зоне чистого слива
лась с них в накопитель сгущенного продукта, где происходило дальнейшее уплотнение материала.
Проведённые исследования указали на низкую скорость осаждения мелкодисперсных частиц и весьма высокую загрязненность сливов (рис. 3).
Так, концентрация взвешенных твердых частиц в сливе вертикального сгустителя составила 3 г/л, а цикл сгущения 100 л. пульпы с содержанием твердого 23 % в исходном питании и 60 % — в сгущенном продукте составил 18 часов.
Данный факт указал на то, что эксплуатация разработанной конструкции сгустителя является неэффективной для сгущения тонкодисперсной пульпы и необходимо применение дополнительных реагентов — флокулянтов. Данные реагенты необходимы для достижения приемлемой скорости осаждения частиц крупностью менее 25 микрон и получения требуемой плотности сгущённого продукта.
В соответствии с этим второй этап лабораторных исследований предусматривал оценку показателей работы сгустителя с подачей в процесс реагентов флокулянтов. Этому предшествовали работы по подбору наиболее эффективного флокулянта и внесение изменений в конструкцию пилотного сгустителя.
Тест по подбору флокулянтов осуществлялся в прозрачных стаканах объемом 250 мл (рис. 4).
Рис. 4. Тестирование флокулянтов в стаканах
В ходе сравнительного лабораторного тестирования оценивалась работа реагентов марок Магнафлок, Налко, СНФ, Праестол, Flourget. На втором этапе те флокулянты, которые показали наилучшую чистоту слива и высокую скорость осаждения в стаканах, тестировались в цилиндре объемом 1000 мл (рис. 5).
Все флокулянты для опытов в цилиндрах готовились в виде раствора с концентрацией 0,05 %. В ходе тестов в цилиндрах было отобрано три флокулянта Flourget AD17E, Magnafloc -919 и Magnafloc -155, показавших лучшие результаты по скорости осаждения и чистоте слива. На основании замеров скорости осаждения частиц были построены кривые осаждения, представленные на рис. 6, позволяющие выбрать предпочтительный тип флокулянта.
Испытания на осаждение Время, сек
■Без флокулянта • MF 919-5мл/л MF 5250 5 ил л
■MF 155 5 мм -и-Nalco ШЯ 5м,тл —•— MF 33S 5шгл
Рис. 6. Зависимости скорости осаждения хвостов обогащения при использовании различных флокулянтов
Рис. 5. Тестирование флокулянтов в цилиндрах
Рис. 7. Усовершенствованная модель сгустителя с установленным узлом флоку-ляции: 1 -золотник; 2 - емкость для фло-кулянта; 3 - кран для регулирования скорости подачи флокулянта; 4 - трубопровод для подачи флокулянта; 5 - место врезки трубопровода в конструкцию
Рис. 8. Работа вертикального сгустителя при подаче в процесс флокулянта
Для дальнейших лабораторных испытаний был выбран реагент Magnafloc 919, который показал наилучшие результаты скорости осаждения и чистотой слива. Другие флокулянты при той же дозировке обеспечивали меньшую скорость осаждения и/или менее качественный слив. Концентрация флокулянта для пилотных испытаний была принята равной 0,05 %, при его расходе 25 г/т.
Для осуществления эффективной подачи реагента конструкция сгустителя была дополнена узлом флокуляции (рис. 7), который обеспечивал его равномерную подачу в поток исходного питания и максимальный флокулирующий эффект.
Трубопровод для подачи флокулянта 4 был врезан в питающий карман навстречу подачи исходного питания. Таким образом, обеспечивался максимальный контакт реагента с исходным питанием, за счет высокой турбуленции потока в данной точке.
В ходе проведения второго этапа лабораторного исследования (рис. 8) выяс-
нилось, что подача флокулянта Magnafloc 919 в процесс сгущения текущих хвостов обогащения обеспечивает высокую чистоту сливов и позволяет получить сгущенный продукт высокой плотности (более 55 % тв).
Как видно из рис. 8 при подаче в процесс сгущения флоку-лянта в вертикальном сгустителе происходит разделение процесса осаждения твердых частиц на зоны. Так, тонкодисперсные частицы, взаимодействуя с полимерным реагентом в зоне осаждения, образуют флокулы и осаждаются по стенкам наклонных пластин под действием силы тяжести. В зоне сгущения происходит уплотнение сфлокулированных частиц, и после того, как осаждение твердых частиц набирает нужную плотность, осуществляется его разгрузка через выпускной патрубок. Работа вертикального сгустителя является эффективной в том случае, если тонкодисперсный материал не переходит из зоны осаждения в зону чистых сливов. Подача флокулянта обеспечивает максимальную чистоту сливов и значительно интенсифицирует процесс сгущения. Анализ проб указал на то, что концентрация взвешенных твердых частиц в сливе составляла 0,4 г/л, а цикл сгущения 100 л хвостов до плотности 60 % твердого снизился до 20 минут.
Полученные результаты представлены в виде диаграммы зависимости времени сгущения текущих хвостов обогащения до плотности 60 % тв. от расхода флокулянта (рис. 9, 10). По диаграмме видно, что наиболее эффективный расход флокулянта составляет 25 г/т. При данном расходе обеспечиватся высокая чистота сливов и наибольшая плотность сгущенного продукта (рис. 9). Дальнейшее увеличение расхода флокулянта приводит к снижению плотности, что объясняется образованием весьма крупных хлопьеобразных флоккул, которые формируют пористый и рыхлый осадок. На рис. 10 показана зависимость изменения отношения твердое: жидкое (Т:Ж) в сгущенном продукте в зависимости от расхода флокулянта. Данная зависимость подтверждает, что расход реагента равный 25 г/т является оптимальным и позволяет получить наибольшую плотность сгущения пульпы мелкодисперсного техногенного сырья.
Рис. 9. Зависимости времени сгущения хвостов обогащения от расхода фло-кулянта
Рис. 10. Зависимость изменения отношения Т:Ж в сгущенном продукте от расхода флокулянта
Анализ полученных результатов свидетельствует об эффективности применения разработанной конструкции вертикального сгустителя. Подача в него флокулянта Magnafloc 919 позволяет получить требуемые технологические характеристики сгущенного продукта и значительно интенсифицировать процесс сгущения тонкодисперсного материала.
Это позволило предложить технологическую схему закладки выработанного пространства подземных выработок на основе обезвоженных хвостов обогащения руд. Принципиальная схема,
представленная на рис. 11, включает в себя мероприятия по транспортированию текущих хвостов от обогатительной фабрики до подземного рудника, доставку их до узла сгущения, процесс сгущения в подземном выработанном пространстве, разгрузку сгущенных хвостов, смешивание со связующими компонентами в смесителях и транспортировку полученной смеси в закладочную выработку.
Траншоршрование текущих хвостов ОТ ОФ до подземного супника
^щ
Разгрузка сгущенных хвостов из бункера накопителя вертикального сгустителя
I
Доставка хвостов по подземным выработкам до узла сгущения
Сгущение хвостов в вертикальных сгустителях
Смешивание обезвоженных хвостов с наполнителями и вяжущим в смесителях непрерывного типа
Закладка выработанного пространства твердеющей смесью на основе хвостов обогащения
Рис. 11. Принципиальная технологическая схема закладки подземного выработанного пространства обезвоженными хвостами обогащения руд
Рис. 12. Горнотехническая система закладки выработанного пространства обезвоженными хвостами обогащения руд
На рис. 12 показана горнотехническая система, реализующая технологию утилизации хвостов обогащения в выработанном подземном пространстве.
Данная технология позволит транспортировать обводненные текущие хвосты обогащения на сотни километров и сгущать их непосредственно вблизи закладочного подземного пространства, что решит проблему закладки на отдаленных от обогатительных фабрик рудниках.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Комплексное освоение месторождений и глубокая переработка минерального сырья / К.Н. Трубецкой, В.А. Чантурия, Д.Р. Каплунов, М.В. Рыльникова; Ин-т проблем комплексного освоения недр РАН. М.: Наука, 2010. 437с
2. Закладка выработанных пространств рудников с применением вертикальных сгустителей / В.В. Олизаренко, Р.Х. Шарипов, И. С. Тур-кин// Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. науч. тр. - Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГГУ» 2013. С. 206-210
3. Закладочные работы в шахтах. Справочник / Под ред. Бронникова Д.М., Цыгалова М.Н. — М.: Недра, 1989. - 400 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Рыльникова Марина Владимировна — доктор технических наук, профессор, заведующий отделением теории проектирования освоения недр, ИПКОН РАН, rylnikova@mail.ru,
Ангелов Валерий Андреевич — кандидат технических наук, ведущий специалист, ОАО «УралГеоПроект», Angelov.valerii@mail.ru, Туркин Иван Сергеевич — магистр наук, аспирант, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Sailor19@yandex.ru
UDC 622.771:622.273.2:5
JUSTIFICATION OF PROCESS SCHEME AND EQUIPMENTS FOR RECYCLING OF CURRENT TAILINGS IN THE WORKED OUT UNDERGROUND SPACE
Rylnikova Marina Vladimirovna, Doctor of Technical Sciences, Professor, manager of department of the design theory of mining exploitation, IPKON RAS, rylnikova@mail.ru, Angelov Valerii Andreevich, Ph.D., Leading Specialist, JSC «UralGeoProekt», Angelov.valerii@ mail.ru
Turkin Ivan Sergeyevich, Master of Science, graduate, Magnitogorsk State Technical University. Nosov, Sailor19@yandex.ru
In the modern time the productivity growth of mining companies leads to the formation on the earth's surface new waste ore dumps, liquid and reclaimed tailings dams that negatively affects on wildlife, including human. Analysis of the practice of tailings storage pointed out that the most widely used method is hydraulic, which consists in applying a pulp containing solid and liquid phases, to the place of disposal. Companies spend huge amounts of money on environmental payments, exploitation of tailing dumps and maintenance of dump boards. This article analyze the grade of the accumulation of waste ore processing at the surface and their impact on the environment. The experience of the mining waste disposal in domestic and foreign mines are considered. Waste ores processing utilization technology in the worked out underground space with using vertical thickeners located in the underground space of the mine are developed. The efficiency of the vertical thickeners are evaluated.
Key words: Backfilling, mining wastes, ore processing waste, underground backfilling equipment, vertical thickener, flocculent, flow sheet.
REFERENCES
1. Kompleksnoe osvoenie mestorozhdenij i glubokaja pererabotka mineral'nogo syr'ja (Integrated field development and deep processing of mineral raw materials) / K.N. Trubeckoj, V.A. Chanturija, D.R. Kaplunov, M.V. Ryl'nikova; In-t problem kompleksnogo osvoenija nedr RAN. Moscow, Nauka, 2010, 437 p.
2. Zakladka vyrabotannyh prostranstv rudnikov s primeneniem vertikal'nyh sgustitelej (The mined-out spaces mines use vertical thickeners)/ V.V. Olizarenko, R.H. Sharipov, I.S. Turkin// Tehnologicheskoe oborudovanie dlja gornoj i neftegazovoj promyshlennosti: sb. nauch. Tr. Ekaterinburg, GOU VPO «UGGU» 2013, pp. 206-210.
3. Zakladochnye raboty v shahtah (Backfilling in mines). Spravochnik / Pod red. Bronnik-ova D.M., Cygalova M.N. Moscow, Nedra, 1989, 400 p.
