Разработка технологии формирования и комплексного освоения техногенных месторождений на основе отходов переработки руд Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© А.Ф. Илимбстов, М.В. Рыльннкова, Д.Н. Радченко, 2008

УДК 622:541.1

А.Ф. Илимбетов, М.В. Рыльникова, Д.Н. Радченко

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ И КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ПЕРЕРАБОТКИ РУД*

Семинар № 19

В современных условиях непременным условием рационального комплексного освоения недр становится не только достижение максимального технико-экономического эффекта от промышленной разработки рудных месторождений с максимальным использованием добываемой и перерабатываемой горной массы, но и вовлечение в эффективную промышленную эксплуатацию ранее образованных в результате многолетней деятельности предприятий горнометаллургического комплекса техногенных образований и формируемых текущих отходов производства.

Длительное освоение рудных месторождений физико-техническими способами привело к существенному истощению балансовых запасов и снижению их качества, а также накоплению на поверхности большого количества отходов горно-металлургического производства в виде складированных хвостов обогащения и металлургических шлаков, отвалов некондиционных руд и вмещающих пород, промышленных стоков. Причем вовлечение в эксплуатацию более бедных руд сопровождается неизбежным увеличением объемов добычи и ростом отходов их переработки.

Без решения проблемы снижения объемов отходов горнометаллургических предприятий и вовлечения их в эффективное промышленное использование невозможно дальнейшее эффективное развитие народного хозяйства страны.

Ярким примером подтверждения этого постулата является опыт отработки медно-колчеданных месторождений Урала, где за контуром открытых и подземных работ остались локальные залежи руды с низким содержанием ценных компонентов, либо с повышенным содержанием вредных примесей, причем фактически уже вскрытые карьером или подземными выработками. Кроме того, в районе разрабатываемых месторождений подземные, подотвальные воды и стоки хвостохранилищ характеризуется достаточно высоким содержанием металлов.

Вовлечение указанных минеральных ресурсов в эффективное промышленное использование возможно только сочетанием традиционного открытого и подземного способов добычи и процессов физико-химической геотехнологии на основе кучного и подземного выщелачивания ценных компонентов из некондиционного

*Работа выполнена при поддержке Гранта РФФИ 06-05-64541.

сырья. Использование выработанного пространства карьера, отработанных камер в виде технологического пространства реализации процессов физико-химических технологий, применение ранее пройденных открытых и подземных выработок позволяет существенно повысить экономическую эффективность и экологичность горных работ, а также снизить уровень кондиций на вовлекаемые в разработку природные и техногенные минеральные ресурсы. Обязательным условием комплексного освоения рудных месторождений является также использование отходов в технологии закладки отработанных подземных камер.

Причем реализация комбинированных технологий комплексного использования минеральных ресурсов обеспечивает повышение качества освоения недр только в случае учета технологий вовлечения всех накопленных и формируемых техногенных образований в базовом проекте на освоение запасов месторождения.

Объектом исследований явились медно-колчеданные месторождений Южного Урала. С одной стороны, масштабы накопления техногенных образований на территории Челябинской, Оренбургской областей и Республики Башкортостан, уровень содержания в них ценных компонентов (табл. 1) и общий объем накопленных запасов металлов (табл. 2) сопоставим по многим элементам с перспективными месторождениями.

Несмотря на постоянное совершенствование технологического процесса и высокие показатели обогащения методом флотации (извлечение меди 80-92 %, цинка 75-82 %, золота 18-47 %), выход хвостов по отношению к исходным рудам составляет 7090 %.

Анализ существующих технологических схем обогащения медноколчеданных руд свидетельствует, что значительная часть металлов, содержащихся в хвостах, не может быть эффективно извлечена в цикле первичной переработки.

Объем накопленных запасов ценных компонентов в хвостохранилищах достаточен для вовлечения их в промышленную эксплуатацию и определяет целесообразность отнесения этих объектов к техногенным месторождениям с постановкой на баланс горнодобывающих предприятий, осуществляющих разработку базовых природных месторождений медноколчеданных руд.

С другой стороны, уровень негативного экологического воздействия этих образований на окружающую среду горнодобывающих регионов предопределяет необходимость изыскания эффективных технологий использования бедных руд и отходов добычи и переработки полезных ископаемых. Неоднородность вещественного состава, содержание широкого спектра ценных компонентов, которые на медно-колчеданных месторождениях, преимущественно, присутствуют в виде изоморфных включений в сульфидах, обуславливают предпочтительность физико-химических геотехнологий освоения залежей некондиционных руд в недрах и техногенных месторождений, сформированных на поверхности горного отвода.

Обоснование принципов и стратегии рационального освоения месторождений полиметаллических руд на перспективу, создание новых процессов и технологий комплексной и экологически безопасной их разработки базируется на повышении степени их геотехнологической изученности и решении геотехнологических, геоме-ханических, и экологических проблем

249

Таблица 1

Характеристика хвостохранилиш Южного Урала

Наименование Ед. БМСК Учалинский Бурибаевское Гайский

изм. Новое Старое ГОК РУ ГОК

1. Площадь по отводу земли га 146,2 23,5 113 31 190

2. Мощность вертикальная м до 25 до 22 до 21 до18 До 40

3. Длина м 1560 740 1700 600 -

4. Ширина м 600 350 750 600 -

5. Период эксплуатации г 1966-2005 1959-1966 1969-2010 1942-1970, 1971-наст.вр. до 2010

6. Ориентировочные запасы 7. Содержание основных элементов: млн т 14 4,5 40,8 5,5 40

медь % 0,2 0,24 0,22 0,45 0,3

цинк % 0,52 0,43 0,63 0,21 0,23

сера % 21,2 26,5 23,1 25,59 26,6

железо % 34,3 28,0 29,49 23,12 13,87

золото г/т 0,8 1 0,6 1,2 0,7

серебро г/т 18 20 8,5 10,3 4,0

Таблица 2

Содержание основных ценных компонентов в хранилищах отходов обогащения руд Южного Урала

Хвосты обогатительных фабрик Содержание элементов

Медь тыс.т Цинк тыс.т Сера тыс.т Железо тыс.т Золото т Серебро т

Гайская 120 92 10640 5548 32 160

Бурибаевская 24,84 11,549 1412,6 1276,2 6,62 56,80

Учалинская 89,7 257,04 6306,30 8050,8 16,38 232,05

Сибайская 34,40 89,44 3646,40 5899,6 13,84 344

Всего: 239,30 326,83 22005,30 20774,6 68,84 792,85

в интересах устойчивого обеспечения потребностей народного хозяйства в комплексном минеральном сырье.

Новым научным направлением комплексного освоения недр является целенаправленное формирование из отходов переработки руд техногенных месторождений с заданными характеристиками. При этом решаются вопросы: экономии природного минерального сырья за счет использования техногенного; получения дополнительной товарной продукции; сохранения качества отходов путем формирования техногенного месторождения с заданными технологическими параметрами, обеспечивающими возможность их освоения в будущем; сокращение площади отчуждения земель, занимаемых под хвосто-хранилища; снижения экологического воздействия на окружающую среду.

Важность и сложность решения перечисленных вопросов комплексного освоения медно-колчеданных месторождений заключается в том, что как комплексное освоение месторождения, так и полнота использования георесурсов, не являются задачами простого сложения отдельных производств, а представляют проблему создания горнопромышленного комплекса с расширенным циклом добычи, переработки руд и утилизации отходов. Этот принцип должен войти в практику проектирования строительства горнодобывающего предприятия, полностью использующего как природные и техногенные георесурсы, так и прогрессивные технологии добычи и переработки руды, адаптированные к горно-геологическим условиям месторождения и учитывающие специфику вещественного состава руд.

Реализация требований комплексного освоения месторождений с вовлечением в промышленное использо-

вание отходов рудообогащения возможна на основе системного подхода к разработке и формированию технологических схем, при котором каждая из проектных и технологических задач рассматривается как элемент единой технологической схемы предприятия в целом. При этом эффективность частных проектных решений, связанных с освоением техногенных месторождений, должна оцениваться с позиции обеспечения максимальной эффективности всей технологической схемы освоения рудного месторождения, в рамках единого горно-перерабатывающего комплекса.

Определяющее влияние на выбор технологической схемы промышленной эксплуатации отходов переработки руд цветных металлов оказывают условия их формирования, складирования и хранения. Поэтому признаку все отходы разделены на 4 вида [1]:

- текущие - на выходе с обогатительной фабрики после завершения всех процессов обогащения;

- затопленные - находящихся в действующем, постоянно пополняемом хвостохранилище под затоплением водой с изменяющейся концентрацией элементов, ЕЬ и рН среды, в зависимости от режима намыва и природно-климатических условий;

- консервируемые - размещенные в хвостохранилище, в котором осуществляются процессы осушения и консервации;

- лежалые - отходы, лежалые в течение определенного времени в законсервированном хвостохранилище и подвергшиеся процессам вторичного минералообразования и изменению структуры массива.

Такая классификация техногенных отходов позволяет обеспечить дифференцированный подход к обоснованию технологии их вовлечения в

эффективную промышленную эксплуатацию.

Для каждой группы отходов разработаны технологические схемы формирования и комплексного освоения техногенных месторождений на основе отходов обогащения руд различными горнотехническими системами. Горнотехническая система рассматривалась как совокупность конструктивных элементов и процессов открытых, подземных, физикохимических технологий при их различном сочетании во времени и в пространстве. Открытым и подземным способами осуществляется разработка геогенных месторождений с формированием в выработанном пространстве карьера, подземного рудника и на поверхности техногенных месторождений из отходов переработки руд для выщелачивания ценных компонентов с получением товарных металлов и их концентратов. При этом решаются вопросы полезного использования отходов выщелачивания для закладки выработанного пространства.

Технологические схемы утилизации текущих отходов обогащения в выработанном подземном пространстве без доизвлечения ценных компонентов предполагают их частичное обезвоживание, которое может осуществляться как на обогатительной фабрике, так и на поверхностном закладочном комплексе. Затем обезвоженные хвосты обогащения используются для заполнения выработаного пространства подземных камер гидравлической или твердеющей закладкой. В горнотехнической системе, представленной на рис. 1, а, отходы обогащения, заложенные в выработанное пространство подземных камер, с целью доизвлечения ценных компонентов подвергаются выщелачиванию.

Реализация технологической схемы (рис. 1, б) предполагает предварительное обезвоживание текущих отходов обогащения. Обезвоженный материал подается на шихтовку с вяжущими веществами для окомкова-ния. Целью последнего является получение прочных, пористых и устойчивых в выщелачивающих растворах окатышей. Подготовленные таким образом окатыши транспортируются на полигон кучного выщелачивания, где укладываются в штабели и выдерживаются до набора прочности. Сформированный техногенный массив подвергается выщелачиванию. Продуктивные растворы перерабатываются методами гидрометаллургии. Конечной продукцией данных технологических схем являются товарные металлы, а также промпродукты, такие как элюаты сорбции, цементная медь и др. В варианте, представленном на рис. 1, б, после отработки каждого штабеля окатыши направляются на закладочный комплекс для приготовления твердеющей закладочной смеси, либо их используют в качестве сыпучей закладки вторичных камер или для локализации иных пустот в подземных горных работах.

В действующих хранилищах отходы обогащения полиметаллических руд представляют собой наиболее сложный объект освоения, так как большая часть отходов, залегающих в них, находится под затоплением. Горнотехническая система, представленная на рис. 2, а, предусматривает добычу отходов земснарядом. Пульпа поступает в технологический комплекс подготовки сырья к выщелачиванию, расположенный на промпло-щадке рудника.

В комплексе осуществляется обезвоживание хвостов, сушка до требуемой влажности и окомкование с добавлением вяжущих материалов.

б)

Рис. 1. Горнотехнические системы формирования и комплексного освоения техногенных месторождений из текущих отходов обогащения: а - с формированием намывных массивов и выщелачиванием ценных компонентов: 1

- обогатительная фабрика; 2 -поверхностный закладочный комплекс подземного рудника; 3-7 - выработки подземного рудника с расположенными в них закладочным трубопроводом, дренажных узлов и системы сбора и циркуляции растворов выщелачивания; 8 - формируемый массив гидравлической закладки; 9 - оросительная система для выщелачивания специально подготовленного массива 10; 11 - направление циркуляции растворов выщелачивания на откаточном горизонте; 13, 14 - участковые водосборники для сбора соответственно дренажных вод и продуктивных растворов; б - с формированием массива оком-кованного материала на полигоне кучного выщелачивания: 1

- склад компонентов шихты для окомкования; 2 - доставка компонентов шихты в дозирующие бункера (3) окомкователя (4); 5

- система конвейеров и консольный штабелеукладчик (6); 7 и 8 - соответственно формируемый и выщелачиваемый штабель окатанного материала; 9 - прудки продуктивного и маточного растворов; 10 - комплекс переработки продуктивного раствора; 11 - склад отходов выщелачивания (после извлечения ценных компонентов); 12 - поверхностный закладочный комплекс; 13 - 16 - выработки подземного рудника; 17 - твердеющий массив отходов выщелачивания

Окатыши требуемых кондиций подаются на промплощадку подземного рудника, затем по клетьевому стволу и системе рудоспусков поступают на вентиляционно-закладочный горизонт, с которого самоходным транспортом отсыпаются с заездов во вторичные камеры. Сформированный таким образом массив, разрабатывается методами физико-химической геотехнологии. Требованием реали-

зации данной технологической схемы является прекращение поступления в эксплуатируемый отсек текущих отходов.

Добыча и переработка техногенного сырья из осушенного хвостохра-нилища производится по схеме, представленной на рис. 2, б. Схема предусматривает валовую выемку отходов механизированными комплексами, предназначенными для работы в

б)

Рис. 2. Горнотехнические системы разработки действующего (а) и законсервированного (б) хвостохрани-лища. Обозначения на схеме а: 1 - земснаряд; 2 - пульповод; 3 - обогатительная фабрика; 4 - гидроциклоны; 5 - вакуум фильтры; 6 - система конвейеров; 7 - обезвоженные хвосты; 8 - склад компонентов шихты для окомкования; 9 -бункер-дозатор; 10 - окомкова-тель; 11, 12 - временный склад окатышей; 13 - копер; 14 -комплекс переработки продуктивного раствора; 15, 16, 17, 19, 20 - выработки подземного рудника; 18 - массив окатышей; на схеме б: 1 - хвостохра-нилище; 2 - цепной экскаватор; 3 - система конвейеров; 4 -склад компонентов шихты для окомкования; 5 - бункер-

дозатор; 6 - окомкователь; 7 -консольный отвалообразова-тель; 8 и 9 - соответственно формируемый и выщелачиваемый штабель окатанного материала; 10 - система орошения; 11 - прудки продуктивного и маточного раствора; 12 - комплекс переработки продуктивного раствора; 13 - склад отходов выщелачивания (после извлечения ценных компонентов; 14 - поверхностный закладочный комплекс; 15, 16, 17 - выработки подземного рудника; 18 - закладочные скважины с использованием отходов выщелачивания для закладки выработанного пространства

вязкой среде, окомкование, кучное выщелачивание массивов, сформированных из окомкованного сырья. По завершению выщелачивания, производится расформирование штабелей, транспортирование отработанного сырья на закладочный комплекс подземного рудника для использования отходов выщелачивания в качестве компонента закладочной смеси.

С целью сокращения изъятия дополнительных земель под полигон техногенного массива, представленного

окомкованными текущими отходами обогащения, целесообразно осуществлять в выработанном пространстве карьера. Для этого окатыши, выдержанные на временном складе до набора требуемой прочности, подаются в отработанный карьер и формируются в штабели для выщелачивания, орошение которых осуществляется системой гибких шлангов и разбрызгивателей. Сбор продуктивного раствора производится как посредством выщелачивания формирование прудков

Рис. 3. Технологическая схема разработки старогод-него хвостохранилиша путем валовой выемки отходов, фракционного разделения по крупности и переработки кучным вышелачи-ванием по раздельным циклам: 1 - массив старогоднего хвостохранилища; 2 - экскаватор; 3 - конвейерный транспорт добываемых хвостов; 4 - сепара-ционная установка; 5 - бункер-дозатор надрешетного продукта и компонентов шихты (6); 7 -барабанный окомкователь;

8 - комплекс отсыпки штабелей кучного выщелачивания (9); 10, 11, 13, 14 - выщелачиваемый штабель с системой сбора, циркуляции и переработки продуктивных растворов; 12 -отработанный штабель кучного выщелачивания; 15, 16, 17 - штабели кучного выщелачивания хвостов другого вещественного состава; 18-23 - технологическая схема утилизации хвостов в выработанном подземном пространстве

и канав, так и из подземных выработок, пройденных в бортах и в основании карьера. Отходы выщелачивания могут быть оставлены в карьере в виде внутренних отвалов, либо использованы для приготовления закладочных смесей.

Выщелачивание техногенных массивов, формируемых на поверхности или в карьере, подвержено влиянию атмосферных осадков и колебания сезонных температур на состав и качество выщелачивающих и продуктивных растворов. Устранение таких недостатков достигается при размещении окомкованного сырья в выработках подземного рудника. Для этого подготовленные и выдержанные окатыши транспортируются по клеть-евому, либо наклонному стволу в шахту, перепускаются на рабочий горизонт и размещаются в выработанном пространстве специально подготовленных вторичных камер. Орошение массива производится с вышележащего горизонта, а сбор растворов

- из выработок, расположенных на нижележащем горизонте. Продуктив-

ные растворы перерабатываются либо в условиях подземного рудника, либо на поверхности в технологическом комплексе. Массив окомкован-ного материала остается во вторичных камерах.

Массивы старогодних хранилищ сложены слоями, отличающимися вещественным составом и физико-механическими свойствами. Технологическая схема, представленная на рис. 3, предусматривает валовую выемку длительно лежалых отходов механизированными комплексами, транспортирование добытого сырья на участок грохочения и классификацию его по крупности.

Для обоснования возможности применения физико-химической геотехнологии, определения ее параметров и режимов необходимо проведение комплексных исследований процессов фильтрации растворителя, фазовых переходов элементов из минерального вещества в раствор и извлечения ценных компонентов из продуктивных растворов. Перспектива комплексного освоения месторож-

дений связана также с необходимостью решения вопросов управления качеством природного и техногенного сырья путем раздельного складирования и переработки в самостоятельных циклах сырья различного качественного состава, включения в технологические схемы процессов сепарации и физико-химической геотехнологии.

С этих позиций необходимо определить основные положения комплексного освоения месторождений и стратегии сохранения недр Земли, которые в себя включают [2]:

- целостную ресурсно-технологическую оценку осваиваемых месторождений во всем многообразии ресурсов недр;

- освоение недр по этапам с учетом горно-геологической и горнотехнической специфики и пространственного расположения георесурсов, а также приоритетности их извлечения;

- управление освоением ресурсов с контролем изменения их состояния, местоположения и качества;

- предотвращение потери ресурсов или снижения степени доступности их освоения в будущем;

- мониторинг состояния природных сред на всех этапах освоения месторождений;

- установление параметров функционирования горных предприятий на каждом из этапов освоения месторождений исходя из существования пространственной и временной связи между ними в отношении всех видов ресурсов недр.

Применительно к проблеме формирования стратегии освоения медноколчеданных месторождений Южного Урала, расположенных на территории республики Башкортостан и Челябинской области, таких как Учалинское, Ново-Учалинское, Озерное, Узельгинское, Молодежное, Талган-

ское, Сибайское, Бакр-Узяк, Алек-сандринское, Октябрьское, Юбилейное, Подольское, Северо-Подольс-кое, первоочередными задачами являются:

-теоретическое обоснование гео-технологической стратегии комплексного освоения месторождений на основе изучения особенностей их техногенного преобразования, создание технологических схем и способов разработки природных и техногенных месторождений на базе комбинации процессов открытых, подземных и физико-химических способов добычи

руд;

- обоснование методики определения основных параметров техногенного преобразования медно-колчеданных природных месторождений и вовлечения в эффективную промышленную эксплуатацию сформированных в результате складирования отходов горнометаллургического производства техногенных месторождений;

- установление закономерностей минерального и химического состава, распределения полезных компонентов и физико-механических свойств минерального сырья в природных и техногенных месторождениях;

- исследование закономерностей процессов техногенного преобразования минерального сырья при добыче и переработке комбинированными физико-техническими и физико-химическими способами;

- усовершенствование существующих и разработка новых технологических процессов комплексного освоения природных и техногенных месторождений для повышения уровня и комплексности извлечения полезных компонентов путем снижения их потерь в недрах при добыче и переработке, а также утилизации отходов производства.

1. Илимбетов А.Ф., Рыльникова М.В., Радченко Д.Н., Милкин Д.А. Новые решения проблемы комплексного освоения рудных месторождений//Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. № 4, 2006 г. -С. 8 - 13.

2. Проблемы комплексного освоения су-перкрупных месторождений стратегического сырья. Под ред. акад. РАН К.Н. Трубецкого, чл.-корр. РАН Д. Р. Каплунова. - М.: ИПКОН РАН, 2006. - 486 с. 1ББН 5-20115594-4. ЕЕЕ

— Коротко об авторах

Илимбетов А. Ф. - кандидат технических наук, администрация Хайбуллинского района, Башкортостан,

Рыльникова М.В. - профессор, доктор технических наук,

Радченко Д.Н. - кандидат технических наук,

ИПКОН РАН, Москва.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 19 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.Ж. Аренс.

---------------------------------- © Е.В. Крсйнин, 2008

УДК 662.74 Е.В. Крейнин

ПОДЗЕМНАЯ ГАЗИФИКАЦИЯ УГЛЯ

КАК ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

ЕГО ДОБЫЧИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Семинар № 19

Экологические последствия при ПГУ сводятся прежде всего к следующим главным факторам:

- химическое и тепловое загрязнение подземных вод;

- загрязнение атмосферы участка подземного газогенератора продуктами газификации и термического разложения угля;

- нарушение сплошности горного массива и земной поверхности над подземным газогенератором.

В традиционной технологии ПГУ экологические проблемы тщательно изучались, накоплено большое количество важных и интересных данных, активно используемых в новой технологии.