CC BY
54
© К.Н. Трубецкой, А.А. Пешков, Н.А. Мацко, А.Г. Михайлов, В.И. Брагин, 2003
УАК 553.068.5
К.Н. Трубецкой, А.А. Пешков, Н.А. Мацко,
А.Г. Михайлов, В.И. Брагин
РАЗРАБОТКА РОССЫПНЫХ МЕСТОРОЖЛЕНИЙ С ГЕОТЕХНОЛОГИ ЧЕСКОЙ ПОЛГОТОВКОЙ*
Длительная и интенсивная эксплуатация россыпных месторождений существенно истощила запасы золота на доступных для традиционной технологии месторождениях. Если подход к освоению россыпных месторождений в ближайшие годы останется неизменным, то, действительно, перспективы увеличения прироста добычи золота имеет смысл связывать с освоением коренных месторождений. Из общего числа оставшихся к настоящему времени россыпных месторождений более 60% не могут быть отработаны по причине низкой рентабельности вследствие невысокого содержания золота, большой мощности вскрышных пород, высокого содержания глины в песках, неразвитой инфраструктуры и т.д. В то же время, запасы золота только в разведанных россыпных месторождениях в настоящее время остаются столь значите льными, что способны обеспечить первенство по объемам добычи металла среди всех прочих источников еще не на одно десятилетие. Для этого необходимо, прежде всего, коренным образом изменить подход к освоению россыпных месторождений. Наиболее эффективными решениями в этом направлении является введение стадии геотехнологи-ческой подготовки в общую структуру освоения месторождения [1]. Сущность этой стадии заключается в трансформации формы и структуры рудных тел месторождения с целью придания им свойств, в наибольшей степени отвечающим требованиям применяемых технологических процессов добычи и переработки.
Основа геотехнологической подготовки россыпных месторож-
дений заложена в едином генезисе аллювиального типа россыпных месторождений. Эти месторождения сформированы в процессе перемещения водными потоками материала зон окисления (кор выветривания). Параметры и структура каждого месторождения определяется степенью окисленно-сти коренных руд, рельефом местности, гранулометрическим составом свободного золота, интенсивностью и длительностью процесса переотложения, видом и интенсивностью наложенных вторичных процессов гипергенеза в течение всего геологического периода формирования.
Структура аллювиальных россыпных месторождений характеризуется рыхлыми отложениями песчано-гравийного материала с различной мощностью пластов песков и торфов, наличием в песках валунов и присутствием глины, неравномерным распределением и разным гранулометрическим составом золота. Структурные показатели месторождения зависят от интенсивности формирующих месторождение водных потоков и исходных условий коренного источника. Как известно [2], концентрация золота в аллювиальных россыпях идет в двух направлениях. При остаточном типе россыпей концентрация формируется в результате вымывания и удаления водными потоками песчаноглинистой составляющей, в результате чего остающаяся часть обогащается более крупными тяжелыми обломками, в том числе полезными компонентами практически на месте залегания. При шлиховом типе концентрация происходит в результате на-
копления относительно крупных частиц полезного компонента в активном слое русловых наносов путем вертикального перемещения тяжелых частиц с вытеснением из этого слоя более легких частиц.
Концентрация золота в россыпях первого и второго типов может быть достаточно высокой. Так в отдельных линзах, как правило в приплотиковой зоне, содержание золота может достигать десятки, сотни грамм и более на кубометр песков [3].
Если на нерентабельные сегодняшний день месторождения и рудопроявления взглянуть с точки зрения процесса рудообразования, то их можно рассматривать как геологически незавершенные. В этом случае логична постановка вопроса о продолжении процесса ф ормирования месторождения
искусственными методами.
Для этого необходимо применение принципиально нового подхода к подготовке месторождений [5]. Принципиальная новизна состоит в том, что эффективность освоения месторождений может быть существенно повышена посредством подготовки ресурсов в недрах, нацеленной на предварительную концентрацию металла непосредственно на месте залегания, с использованием природных механизмов движения рудного вещества, оптимизированных применительно к существующему уровню технологии добычи и переработки.
Г еотехнологическое продолжение формирования россыпного месторождения можно условно разделить на два основных процесса. Первый представляет собой полную дезинтеграцию рыхлого массива и перевод во взвешенное состояние частиц массива в водной среде. Второй - процесс стратификации россыпного массива. После того, как материал россыпного месторождения будет дезинтегрирован и переведен во взвешенное состояние, в водной среде начинается процесс разделения частиц по плотности и крупности. Параметры процесса осадкообразования при реструктуризации массива с разделением частиц мате-
*Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 02-05-64372)
риала по плотности и крупности в водной среде и степень концентрации существенным образом зависят от полноты предшествующего процесса дезинтеграции, обеспечивающего освобождение каждой частицы материала массива от структурных связей, и достаточной степени во дона-сыщенности массива для свободного оседания частиц.
Наиболее важным и ответственным условием подготовительного процесса реструктуризации (перевод массива во взвешенное состояние) является дезинтеграция глинистой фракции материала массива. Именно эта фракция требует наибольших энергетических затрат на высвобождение частиц золота. Именно она предопределяет уровень концентрации металла в продуктивном слое в процессе стратификации.
Из числа технологий, способных обеспечить подготовку массива россыпного месторождения к реструктуризации, наиболее приемлемой является акустическая технология дезинтеграции [6]. Принцип ее заключается в распространении ударных волн в диапазоне низких частот. Эффекты, сопутствующие волновому распространению в обводненном массиве, наиболее полно осуществляют разрыв связей между частицами рыхлых образований. При прохождении ударных волн обрабатываемый материал подвержен сменяемым зонам повышенного давления на фронте волны и зонам разрежения за фронтом, кавитационному эффекту, высокой скорости перемещения малых частиц массива на скачках давления.
Развитие в этом направлении в последние годы теоретических и экспериментальных работ показало целесообразность проведения, наряду с подготовкой высокоглинистых золотоносных песков в акустическом дезинтеграторе в составе технологической линии промывки, также обработке песков в естественном залегании [7]. Для обработки массивов разработаны способы подготовки и предварительного обогащения песков в естественном залегании россыпного мас-
сива с использованием погружных ударно-акустических генераторов [8]. Существенным преимуществом погружных генераторов перед встроенными в рабочие камеры является их технологическая гибкость как для использования в традиционных поточных технологических схемах, так и для обработки массивов при формировании новых рудных тел в природных и техногенных россыпных массивах. Из известных средств, которые могут быть применены в качестве погружных генераторов, наиболее приемлемым вариантом может являться аналог реактивного двигателя. Именно он обеспечивает достаточно высокую мощность при малых габаритах и массе, а сверхзвуковая газовая струя при выходе из сопла генерирует мощные акустические колебания широкого спектра. Кроме того, в водной среде газовая струя высокой температуры образует вокруг себя парогазовую оболочку с турбулентными потоками газа внутри нее. Сама же парогазовая область взаимодействует с окружающей водно-минеральной средой и доступна для проникновения воды и минеральных частиц. Парогазовая область и поверхность струи увлекает за собой и разгоняет часть контактирующего с ней объема воды с частицами материала и создает скоростные пульповоздушные струи, направленные на забой обрабатываемого массива. Захваченные основной газовой струей вода и минеральные частицы динамической нагрузкой завершают разрушение связей между частицами в глинистых агрегатах массива и осуществляют взвешивание частиц в водной среде. Начальная же и основная стадии разрушения связей в агрегатах массива осуществляется, главным образом, ударно-акустическими колебаниями низкочастотного диапазона. При прохождении по массиву акустические колебания обусловливают протекание процессов «усталостного» и тиксотропного разупрочнения структурного строения глинистых пород. «Усталостное» разупрочнение проявляется в понижении или полном падении проч-
ности глинистых пород под действием периодических нагрузок, вследствие расшатывания вплоть до разрушения структурного каркаса по наиболее слабым местам. Тиксотропное разупрочнение проявляется в различной степени размягчения или в полном разжижении глинистых пород в результате ослабления или полного разрушения структурных связей, перехода физически связанной воды в свободную и освобождения воды, находящейся в порах и ячейках скелета.
Все глинистые породы потенциально тиксотропны, но для проявления ими этой способности необходимы определенные условия. К важнейшим из них относят интенсивность и продолжительность воздействия колебаний. Если растягивающие и сжимающие напряжения превышают предел структурной прочности, структурные связи разрушаются. Тиксотропное разупрочнение - это обратимый процесс и после прекращения динамического воздействия структура восстанавливается. Для процесса диспергирования глинистых пород, в котором обеспечен доступ дополнительной свободной воды в область усталостного акустического разрушения, достигается временная необратимость. Обусловлено это может быть прежде всего тем, что попадание дополнительных молекул воды в область ослабленных и разрушенных структурных связей приводит к интенсивному набуханию вследствие гидратации глинистых частиц, освобожденных от действия сил структурного сцепления.
Разрушение структурных связей в глинистых агрегатах осуществляется одновременно по нескольким направлениям. Основными факторами являются пульсация парогазовых пузырьков, изменяющих свои размеры в соответствии с изменением прикладываемого давления и непрерывно увеличивающиеся в размерах вследствие диффузии газа из зоны прямого действия генератора. Не менее важным фактором являются кавитационные процессы во всем объеме акустического воздействия, включая
и внутреннюю структуру глинистых агрегатов. При пульсации парогазовые пузырьки в фазе пониженного внешнего давления расширяются, развивается давление, которое передается на скелет, растягивая и разрушая структурные связи, как бы «взрыхляя» его изнутри. Большие пузырьки, вписывающиеся в крупные поры, имея тенденцию к выпрямлению своей поверхности, окажут дополнительное влияние на частицы, заставляя их перемещаться и отрываться друг от друга.
При акустическом воздействии в обводненном массиве происходит интенсивное дробление воздушных пузырьков и в результате взаимодействия с акустическим полем часть их (объем зависит от интенсивности акустического поля) не всплывает на поверхность, а внедряется в массив по трещинам и порам, образованным в результате ослабления структурных связей. Опускающиеся пузырьки под воздействием акустического поля внедряются в материал, сложенный из дисперсных частиц и разрыхляют его. Через некоторый момент, обычно через 15—20 сек после начала обработки, наступает "взрывообразное" разлета-ние дисперсных частиц вместе с воздушными пузырьками по всему объему жидкости, отделяя от забоя слой в 0,1-0,3 м. Освобожденные при "взрывообразном" выбросе паровоздушные пузырьки частично удаляются путем свободного всплытия, а частично вновь, под воздействием акустического поля, внедряются в не-разрыхленный массив. При не-
прерывной акустической обработке отделение материала от массива происходит постоянно. Таким образом, знакопеременное давление в трехфазной среде, возникающее при возбуждении низкочастотных акустических колебаний, приводит к изменению прочностных свойств и состояния глинистых пород и вызывает их диспергирование.
В результате полной дезинтеграции материала и взвешивания всех частиц в водной среде начинается процесс нового осадкообразования массива. Этот процесс обусловливает сегрегацию материала по крупности, плотности и форме частиц, согласно параметрам их гидравлической крупности [10]. Крупные, изометрич-ные и более плотные частицы имеют наибольшую скорость опускания, а мелкие и уплощенные оседают медленнее. При погружении частицы материала создают вертикальные потоки пульпы, которые захватывают и выносят в верхние слои тонкие, преимущественно, глинистые частицы.
Процесс управляемого формирования осадка протекает в пределах акустического поля за пределами зоны динамически активного воздействия струи. Скорость оседания твердой фазы в колеблющейся жидкости в целом ниже скорости оседания в покоящейся жидкости и управляется интенсивностью акустического излучения. Акустическое воздействие оказывает неодинаковое влияние на скорость оседания для частиц разной гидравлической крупности. Наиболее значительное влияние акустическое
поле оказывает на частицы, гидравлическая крупность которых меньше 10 см/сек. Скорость оседания частиц может быть снижена акустическим полем более чем в два раза. Наименьшее влияние акустики отмечается для частиц, размером более 15 мм. Таким образом, крупный материал за зоной активного действия струи будет оседать сразу, образовывая основание нового реструктуризированного массива (рис. 1). Эта зона характеризуется формированием слоя частиц золота, приуроченного к остаточному типу концентрации [2]. По мере снижения интенсивности акустического воздействия (по мере продвигания забоя с погружным источником) сверху на крупный материал основания нового массива будет оседать более мелкий. При этом, часть его задержится на поверхности крупных кусков, а часть пройдет через щели между кусками и заполнит пространство между ними. Опускающийся и уже опустившийся на основание кусковой материал под воздействием акустики совершает колебательные движения, причем чем меньше кусок, тем больше он подвержен волновым колебаниям. В результате колебательных движений кускового материала и материала песковой фракции в основании вновь создаваемого россыпного массива образуется постель из подвижного материала аналогично постели, создаваемой в обогатительных гравитационных аппаратах. В этом слое формируется концентрат из частиц с высоким удельным весом, которые проникают на дно и вытес-
няют более легкие в верхние слои. Эта зона характеризуется концентрацией шлихового золота [2].
Тонкие частицы материала меньшего удельного веса и, в том числе, весь материал глинистой фракции образуют осадок в последнюю очередь, т.е. верхний слой образованной россыпи. Глинистая фракция может долгое время находится во взвешенном состоянии в виде пульпы. В таком состоянии большую часть глинистого материала можно вывести самотеком за пределы создаваемого рудного тела.
На основе вышеизложенных принципов подготовки разработан ряд технологических схем геотехнологической отработки россыпных месторождений.
Наиболее простая из них заключается в подготовке высокоглинистых золотоносных песков к обогащению с минимальным изменением традиционной технологической схемы. Известно, что при обогащении золотоносных песков с содержанием глинистой фракции более 25 % даже с использованием эффективного технологического процесса достигают 50 % и более [11]. При отработке таких месторождений многократная промывка песков стала правилом.
Золотоносные пески перед подачей на обогащение проходят через гидроэлеваторный зумпф. Материал поступает в заполненный водой зумпф через колосниковый грохот. В придонной его части под загрузочным грохотом установлен погружной струйноакустический генератор (рис. 2). В качестве генератора может быть использован модернизированный агрегат огневого бурения ТБВ-5, ТВР-9 и др. [12] которые в наибольшей степени соответствуют требуемой производительности технологической линии. С противоположного края зумпфа установлен гидроэлеватор. Одновременно с материалом в область дезинтеграции подают воду путем орошения колосникового грохота в объеме не менее 0,5 м3 воды на 1 м3 песков. Пески в
Рис. 3. Схема отработки россыпного месторождения с предварительной реструктуризацией массива
зумпфе дезинтегрируются и поднимаются гидроэлеватором и поступают на обогащение. Объем зумпфа определяется из расчета обеспечения заданной производительности при трех - пятиминутной обработки материала в зависимости от исходного содержания глинистой фракции. Применение стадии акустической дезинтеграции в гидроэлеваторном зумпфе перед обогащением позволит отказаться от повторной переработки песков, что может повысить эффективность отработки россыпных глинистых месторождений на 15-30 %.
Более эффективным технологическим решением является схема отработки с предварительной реструктуризацией россыпного массива на месте залегания без удаления вскрышных пород. На подготовленной поверхности участка месторождения создают пионерный котлован, заполняют водой и опускают в него погружной генератор со сверхзвуковой газовой струей. В область работы генератора подают воду из расчета не менее 0,5 м3 воды на 1 м3 дезинтегрируемого материала. Далее поперечными за-ходками по отношению к уклону поверхности участка (снизу вверх) послойно осуществляют обработку массива. На первой заходке на всю высоту слоя вслед за генератором происходит реструктуризация. Валуны, галечный материал и более плотные частицы песчаной фракции, включая частицы золота остаточного и шлихового типов концентрации накапливаются в ниж-
ней слое. На нем формируется слой песка, а взвешенные глинистые частицы и частично песко-вая фракция удаляется самотеком по руслоотводной канаве.
Нижний продуктивный слой составляет, по данным экспериментов, от 5 до 15 % мощности первоначальной аллювиальной толщи. Обратным ходом проводят обработку второго нижнего слоя, осаждая крупный материал и полезный компонент в придонную область. Так, последовательными поперечными за-ходками проводят реструктуризацию массива на всю мощность пласта до плотика, попутно производя удаление глинистой и легкой песчаной фракций самотеком. После завершения обработки первой проходки на всю глубину приступают к послойной обработке следующей. Возможно также проведение обработки сразу на всю глубину, если мощность месторождения или его участка это позволяет. После отработки участка месторождения выемочное пространство используют в качестве отстойника при переходе к отработке следующего участка.
На рис. 3 показана схема отработки россыпного месторождения участками снизу вверх по долине с обработкой массива на каждом участке поперечными заходками сверху вниз. Выработанное пространство каждого предыдущего участка становится первым отстойником после его полной отработки и установки защитной дамбы. В этом технологическом варианте при рест-
руктуризации массива выводится только глинистая фракция в виде пульпы по отводной канаве, проложенной по поверхности отрабатываемого участка. Реструктуризированный ударно-акустической технологией массив может быть отработан по традиционной технологии: удаляют вскрышные породы, производят выемку песков, доставляют их на промывочный прибор, где получают черновой продукт в результате гравитационного обогащения. Также, отработка продуктивного слоя песков может быть осуществлена с применением гидротранспорта посредством откачки землесосом.
Применение геотехнологии отработки россыпного месторождения имеет ряд существенных экономических и технологических преимуществ перед традиционными технологиями. Прежде всего - это повышение экономической эффективности. В основ-
ном, выигрыш обусловлен многократным снижением объемов добычи песков за счет реструктуризации и предварительного обогащения в массиве. Процесс реструктуризации массива погружным генератором осуществляется при энергетических затратах в пределах от 0,1 до 1,0 кВт/м3 в зависимости от состояния массива. Новая стратификация россыпи позволяет обеспечить уменьшение мощности (соответственно объема добычи и переработки) продуктивного пласта в 4-8 раз. Более того, в результате общей реструктуризации массива в продуктивный пласт переходит золото из торфов, имеющих, как правило, некондиционное содержание.
Процесс реструктуризации массива идет с потреблением технологической воды в объеме, соответствующем реструктуризируемому объему массива. Та-
кой же объем, но уже пульпы выводится за пределы полигона или в отработанное пространство. Технологическими решениями может быть обеспечен вывод вместе с пульпой большей части вскрышных пород. Кроме того, предлагаемое технологическое решение позволяет минимизировать расход воды и соответственно - гидротехнических сооружений.
Этими технологическими мероприятиями себестоимость добычи золота при отработке россыпи может быть снижена не менее чем в два раза. Технологический эффект заключается в удалении глинистой фракции из золотоносного слоя песков на стадии подготовки массива. Это позволит применять оптимальные режимы при гравитационном обогащении песков, что обеспечит наиболее полное извлечение золота.
СПИ-OK ЛИTEPATУPЫ
1Трубецкой. К.Н., Пешков А.А., Мацко Н.А., Михайлов А.Г., Брагин В.И. Перспективные технологии искусственного продолжения формирования месторождений полезных ископаемых.// Развитие новых научных направлений и технологий освоения недр Земли. Материалы юбилейной сессии ОГГГГН РАН. - М., 2000. - С. 59-71.
2. Нестеренко Г.В. О способах концентрации золота в россыпях. //Минералогия геохимия рудных месторождений Сибири. - Новосибирск: Наука, 1977, - С. 86-100.
3. Gobb E.N. Placer deposits of Alaska. Washington, 1973, 213p. 4. Р.А. Цыкин, Ю.В. Гусаров. Золотоносные коры выветривания и древние россыпи восточной части Ал-тае-Саянской области.// Геология и полезные ископаемые Красноярского края. - Красноярск: КНИИГиМС, 1999, - с. 82 -88.
5. Трубецкой К.Н, Пешков А.А, Мацко Н.А., Михайлов А.Г, Брагин В.И. Концепция подготовки месторождений к освоению. Горный вестник, 1999, № 2-3, - С. 13-22.
6. Акустическая технология в обогащении полезных ископаемых / А.И. Шульгин, Л.И. Назарова, В.И. Рехтман и др. Под ред. В.С. Ямщикова. - М.: Недра, 1987. - 232 с.
7. Физические основы ударно-волнового режима дезинтеграции материала высокоглинистых месторождений. Н.А. Прибатурин, А.Г.Михайлов, В.А.Вагнер, В.И.Брагин // ФТПРПИ. № 5. 1997.
8. Патент № 2106495 кл. Е21С41/00. "Способ разработки россыпных месторождений" БИ №7.98 // Михайлов А.Г., Вагнер В.А, Брагин В.И.
10. Шумилов Ю.В. Физико-химические и литогенетические факторы россыпеобразования. - М.: Наука, 1981, 272 с.
11. Белобородов В.И, Федотов К.В, Романченко А.А. Обогащение золотосодержащих песков с высоким содержанием глинистых.// Горный журнал, 1998, № 5. С 50 - 53.
12. Ефремов Э.И., Кутузов Б.Н. Тепловые разрушения горных пород и огневое бурение. - М.: Недра. 1972.
KOPOTKO OБ ABTOPAX --------------------------------------------------
Трубецкой Климент Николаевич - академик РАН, директор ИПКОН РАН. Пешков А.А. -член-корр. РАН.
Мацко Н.А. - кандидат технических наук, ИПКОН РАН, Москва.
Михайлов А.Г. - кандидат технических наук, ИХХТ СО РАН, Красноярск. Брагин В.И. - кандидат технических наук, ИХХТ СО РАН, Красноярск.
Файл: ТРУБЕЦ~1
Каталог: G:\По работе в универе\2003г\Папки
2003\GIAB11~03 Шаблон:
C:Шsers\Таня\AppData\RoammgYMlcmsoftYШаблоны\
Normal.dotm
Заголовок: ОТРАБОТКА РОССЫПНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Содержание:
Автор: Михайлов А.Г.
Ключевые слова:
Заметки:
Дата создания: 27.08.2003 11:53:00
Число сохранений: 17
Дата сохранения: 27.08.2003 15:55:00 Сохранил: Гитис Л.Х.
Полное время правки: 143 мин.
Дата печати: 09.11.2008 18:15:00
При последней печати страниц: 5
слов: 3 471 (прибл.)
знаков: 19 790 (прибл.)
