CC BY
18
ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2021;(3-1):40—55 ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ / ORIGINAL PAPER
УДК 622.2;622.3, 622.7 DOI: 10.25018/0236_1493_2021_31_0_40
РОЛЬ ХИМИИ И МИКРОБИОЛОГИИ В СФЕРЕ ГОРНОГО ДЕЛА: СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ЗАДАЧИ
Л. В.Шумилова1, Г. А. Юргенсон12
1 Забайкальский государственный университет, Чита, Россия;
2 Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН, Чита, Россия
Аннотация: Даётся всесторонняя оценка использования химических и микробиологических методов в технологии горного дела на современном этапе. Представлены данные, свидетельствующие о положительной динамике применения современных методов добычи минерального сырья во всех странах с развитой горной промышленностью, включая процессы физико-химической геотехнологии (подземное, скважинное и кучное выщелачивание). Показано влияние химии и микробиологии как фундаментальных наук на развитие физико-химических способов добычи металлических и неметаллических полезных ископаемых и способов извлечения полезных компонентов из природных и техногенных месторождений. Рассматриваются проблемы состояния минерально-сырьевого комплекса России в начале XXI века. Дан анализ современных технологических проблем извлечения ценных компонентов из сырья. Сформулированы основные задачи, стоящие перед учёными и специалистами-практиками, работающими на предприятиях горного кластера, решение которых позволит повысить эффективность процессов и снизить себестоимость добычи полезных ископаемых, сократить сроки освоения новых месторождений, снизить капитальные и эксплуатационные затраты, упростить технологии извлечения металлов и неметаллов. Приведены основные направления развития горного дела на основе научных достижений. Исследуются перспективы применения химических и микробиологических методов в горном деле.
Ключевые слова: физико-химическая геотехнология, подземное выщелачивание, скважинное выщелачивание, кучное выщелачивание, наилучшие доступные технологии, химия, микробиология, химико-экологические проблемы.
Для цитирования: Шумилова Л. В., Юргенсон Г. А. Роль химии и микробиологии в сфере горного дела: состояние проблемы и перспективные задачи // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2021. - № 3-1. - С. 40-55. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_31_0_40.
Role of chemistry and microbiology in mining: current situation and long-run objectives
L. V. Shumilova1, G. A. Yurgenson12
1 Transbaikal State University, Chita, Russia; 2 Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology SB RAS, Transbaikal State University, Chita, Russia
© Л. В.Шумилова, Г. А. Юргенсон. 2021
Abstract: The article offers an overall estimate of efficiency of chemical and microbiological methods in mining technologies at the current stage. The presented data prove a positive trend in the advanced technologies of mineral mining in the countries with the developed mining industry, including the physicochemical geotechnology (in-situ, borehole and heap leaching). The role of chemistry and microbiology as basic sciences in the advancement of physicochemical extraction of metallic and nonmetallic minerals from natural and manmade deposits is demonstrated. The challenges of the mineral mining sector in Russia in the early 21st century are discussed. The current problems connected with extraction of valuable components from mineral raw materials are analyzed. The key objectives are formulated for the theoreticians and practitioners in mining in order to enhance the technological efficiency, to reduce the cost of mineral mining, to shorten the time of new field development, to save capital and operational expenses and to simplify technologies of metallic and nonmetallic mineral extraction. The main routes of advancing the mining art based on the scientific achievements are identified. The prospects of the chemical and microbiological methods in mining are studied.
Key words: physicochemical geotechnology, in-situ leaching, borehole leaching, heap leaching, available advanced technologies, chemistry, microbiology, chemical and ecological problems. For citation: Shumilova L. V., Yurgenson G. A. Role of chemistry and microbiology in mining: current situation and long-run objectives. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2021;(3-1):40—55. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_31_0_40.
Введение
Проблема исчерпаемости рентабельных для использования минерального сырья природных объектов появилась лишь в XXI веке, когда стало ясно, что человек становится одним из важных факторов устойчивого развития природы во всех её частях. Известные выводы В. И. Вернадского о геологической роли человека нашли понимание в обществе и стали предметом обсуждения экологического состояния планеты Земля. В современный период в результате деятельности человека скорость потребления природных георесурсов многократно возросла, поэтому развитие горной отрасли должно соответствовать экологическому императиву [1].
Необходимо использовать новые технологии и методы освоения недр. Внедрение геохимической и микробиологической научной мысли в сферу горного дела с целью изучения полезных ископаемых с позиций генетической минералогии, внедрения геотехноло-
гий, создания искусственных минеральных объектов значительно отстает от насущной потребности в решении проблем эффективного использования минерально-сырьевого комплекса.
В России существуют серьезные проблемы в обеспечении цветной металлургии минеральным сырьем, особенно это положение относится к рудам, содержащим уран, медь, золото, марганец, алюминий, никель.
Технология разработки месторождений полезных ископаемых методом скважинного подземного выщелачивания (СПВ) обеспечивает безлюдную, безмашинную и поточную технологию и может рассматриваться в качестве одного из направлений инновационного развития горного производства, имеющего большое будущее.
Для реализации экономической политики государства — политики промышленного ренессанса как стратегического направления инновационного пути развития России — в ближайшей перспективе должны получить макси-
мальное внедрение физико-химические методы геотехнологии, в том числе выщелачивание, поэтому изучение состояния проблем в сфере горного дела и перспективных направлений развития, базисом которых является химия и микробиология, является актуальной научной задачей.
Цель исследований — анализ состояния проблем развития горно-химической и горно-биологической индустрии с позиций геоэтики и определение перспективных задач в сфере горного дела в XXI веке.
Объект исследований — физико-химическая геотехнология как инструмент экоинженерии и нивелирования технологического отставания отечественной промышленности от развитых зарубежных стран.
Анализ основных проблем минерально-сырьевого комплекса России. Системный анализ уровня развития физико-химической геотехнологии
Одной из важнейших становится проблема геоэтики, а именно необходимость сохранения георазнообразия, окружающего человека и сдерживающего его деятельность лишь как потребителя созданных природой геологических объектов. Особенно острой эта проблема стала во второй половине прошлого столетия, когда сравнительный анализ показал, что количество извлеченного из недр и перемещенного в процессе техногенеза минерального вещества за весь тысячелетний период добычи полезных ископаемых оказалось значительно меньше того, что было добыто лишь за прошлое столетие.
Интерпретируя сущность физико-химической геотехнологии (ФХГ) по отношению к современным инновационным понятиям, можно сказать, что
она относится к наилучшим доступным технологиям — «зелёная технология», «зеленая инженерия», «экоинжене-рия» — и является передовой технологией XXI века, поэтому априори имеет явные преимущества перед традиционными методами геотехнологии и способна совершить революцию в горном деле (рис 1).
ФХГ — это синтетическая наука, интегрирующая фундаментальные науки (химия, физическая химия, геохимия, химия твёрдых тел, аналитическая и коллоидная химия, кристаллохимия, биология, микробиология, геологическая микробиология, геология) с перспективными инновационными прикладными науками выщелачивания (скважинное, подземное, кучное и бактериальное).
ВНИИХТ, ПромНииПроект, ВИМС, «НПП «ГЕОТЭП», ИПКОН РАН, Иргиредмет, ЦНИГРИ, ИГД СО РАН, МГРИ-РГГРУ, ИГД ДВО РАН, ИРЭ РАН, Гинцветмет, МИСиС и другие научные организации активно занимаются разработкой, промышленной апробацией и внедрением технологий выщелачивания.
Большое значение для развития ФХГ имеет разработка теоретических положений. Так, учёные Г. И. Авдонин, В. А. Гуров, А.И, Заболоцкий, М. И. Фазлуллин разработали критерии оценки месторождений применительно к методу выщелачивания хлорсодер-жащими растворителями. В. Ж. Аренс подготовил и издал книги (монографии, учебники, учебные пособия), где изложены основные вопросы теории ФХГ, даётся развёрнутая дорожная карта НИР в ФХГ, изложены многолетние размышления автора о науке, образовании, горном деле и показаны возможные планы действий по модернизации жизни страны и участия в этом молодого поколения исследователей.
Подземные горные работы (ПР)
Открытые горные работы (ОГР)
продуктивных и выщелачивающих растворов; 12 —дробление руды на гидрометаллургический завод - ГМЗ (перерабатывающее предприятие); 13—выщелачивание металла из руды; 14—сорбция и десорбция; 15 — экстракция и реэкстракция; 16 — транспортировка и складирование отходов
Рис. 1. Сравнительный анализ матриц основных производственных процессов традиционных способов (ТС) добычи и методов ФХГ
Fig. 1. Comparative analysis of the matrices of the main production processes of traditional production methods (TS) and FCH methods
1 2 3 4
5 6 7 8
9 10 11 12
13 14 15 16
Скважинное подземное выщелачивание _(СПВ)_
1 2 3 4
5 6 7 8
9 10 11 12
13 14 15 16
Подземное выщелачивание (ПВ)
1 2 3 4
5 6 7 8
9 10 11 12
13 14 15 16
Кучное выщелачивание (KB)
1 2 3 4
5 6 7 8
9 10 11 12
13 14 15 16
Обозначения производственного процесса:
1 — проходка стволов шахт и других
Подземное выщелачивание (ПВ)
1 2 3 4
5 6 7 8
9 10 11 12
13 14 15 16
+ -
применяется отсутствует
Обозначения производственного процесса: 1 — проходка стволов шахт и других горнокапитальных выработок; 2 — проходка горноподготовительных и нарезных выработок; 3 — вскрышные работы; 4 — отбойка руды, буровзрывные работы; 5—бурение и оборудование скважин; 6 — погрузка и транспортировка руды, выдача на поверхность (из карьера); 7 — погашение выработанного пространства; 8 — водоотлив; 9 — вентиляция; 10—транспортировка руды от рудника до перерабатывающего завода; 11 — транспортировка
Анализ современного состояния уровня развития ФХГ показал, что на сегодняшний день имеется ряд проблем в горной отрасли России в области ФХГ, в частности, в скважинном подземном выщелачивании (СПВ), блочном подземном выщелачивании (БПВ), кучном выщелачивании (КВ) (табл. 1).
Кроме проблем, перечисленных в табл.1, следует отметить основные проблемы кучного бактериального выщелачивания: ограниченность применения; экстенсивность процесса; снижение эффективности биоокисления за счет роста концентрации растворенного мышьяка, подавляющего жиз-
недеятельность бактерий; отсутствие культур, устойчивых к неблагоприятным факторам среды и работающих в экстремальных условиях; мутация бактерий в процессе метаболизма и, как следствие, снижение качественных показателей геотехнологии.
Стратегические и перспективные направления перехода физико-химической геотехнологии на новый уровень технологического и экологического развития Для обеспечения страны важнейшими видами полезных ископаемых требуется разработка минерально-
£ Таблица 7
Проблемы физико -химической геотехнологии в горной отрасли России [2—13] Problems of physical and chemical geotechnology in the mining industry of Russia [2—13]
Проблемы физико-химической геотехнологии в горной отрасли России
СПВ и БПВ КВ Экологические проблемы
Отсутствие критериев оценки и анализа различных типов месторождений с точки зрения СПВ и ПВ. Недостаточный уровень фундаментальных исследований новых технологий добычи, определяемый установлением связи физико-геологической обстановки залежи полезного ископаемого и вмещающих пород с рабочими веществами и средствами добычи на уровне молекул, атомов, ионов, а также знаний механизмов химических реакций и физических воздействий. Отсутствие горного оборудования, способного работать в сложных условиях, обеспечивающего малооперационность, поточность, простоту обслуживания и надёжность, безопасность, малую энергоёмкость, высокую производительность труда и низкую себестоимость. Отсутствие альтернативных вариантов переработки, утилизации добытых продуктивных флюидов и продуктивных растворов на основе применения активных реагентов и органических веществ (комплексонов, экстрагентов), обеспечивающих селективность извлечения полезных компонентов. Управление процессами СПВ и ПВ осложняется недостатком информации о состоянии продуктивного горизонта и параметрах технологического процесса, отмечается значительная инерционность, ограниченность возможности воздействия на движение флюидов. Наличие большого числа различных взаимосвязанных физико-химических процессов, происходящих в продуктивном горизонте, работа в условиях вечной мерзлоты Обеспечение к металлу доступа выщелачивающего раствора. Выбор эффективной системы окислителей и комплексообра-зователей (группа химических факторов). Наличие различных форм минералов. Низкие показатели извлечения ценного компонента (на уровне 50 — 80 %). Невозможность выщелачивания ряда категорий руд, в частности упорных. Возможность проявления эффекта переосаждения металла, растворённого в верхней части штабеля сорбционно-активными шламовыми компонентами. Дегазация кислорода и снижение концентрации кислорода до предельного значения в нижних слоях штабеля. Наличие сегрегации, изменение давления по глубине, химическое разрушение руды, вертикальное каналирование. Солевые переотложения, неравномерная фильтрация выщелачивающего раствора по сечению штабеля. Кольматация поро-вого пространства и суффозия. Возникновение технических, технологических и организационных трудностей при отрицательных температурах воздуха, работа установок КВ в условиях вечной мерзлоты Недостаточный уровень внедрения технологий рециклинга техногенных месторождений. Отчуждение значительных земельных территорий под твердые отходы горного производства. Негативная экологическая обстановка вокруг действующих предприятий. Уничтожение или снижение качества земель из-за пылевых заносов с отвалов и хвостохранилищ. Применение агрессивных реагентов 1 класса опасности — чрезвычайно высокотоксичные (серная кислота) и 2 класса опасности — высокотоксичные (цианиды). Недостаточность оценки рисков ФХГ. Загрязнение окружающей среды (поверхностных и подземных вод, атмосферного воздуха) тяжёлыми металлами и солями в концентрациях, нередко превышающих допустимые нормы, деградация токсичных загрязнений в почве. Активизация экзогенных процессов: карсты, оползни, суффозия, эрозия. Снижение биологического разнообразия. Изменение гидрогеологических условий
сырьевой политики государства на длительную перспективу (20, 50 лет) и восстановление системы исследования недр для отработки ФХГ; создание научно-производственных кластеров, состоящих из вуза, научных центров и горных предприятий, которые должны заниматься решением проблем теории и практики ФХГ.
Стратегическими направлениями развития научно-исследовательских работ в области СПВ являются: создание высокоэффективной техники и технологии вскрытия месторождений полезных ископаемых, в том числе скважинами сложного профиля и продуктивного пласта — пенами; упрощение конструкции добычных скважин для снижения их материалоёмкости и экономичности сооружения; разработка и строительство сложных многофункциональных, многозабойных и горизонтальных скважин, что удорожает их строительство, но даёт эффект в эксплуатации месторождения; создание типоразмерного ряда буровых установок нового поколения; выбор оптимальной сетки расположения скважин.
Проведение камерального технологического и геолого-экономического анализа наиболее перспективных законсервированных месторождений, выделение объектов или участков с «гранично-экономическими» запасами позволит создать реестр объектов, пригодных к освоению ФХГ из распределенного и нераспределенного фонда, и разработать их технологические регламенты.
Образовавшаяся и существующая в определенной физико-химической обстановке физико-химическая система (полезное ископаемое) состоит из определенных минералов, первичных составных частей (сульфидные минералы) и процессов, положивших начало их зарождения.
Химия интенсивно развивается, о чём свидетельствует такой показатель, как удвоение объёма знаний каждые 11 — 12 лет в современный период, тогда как в XX веке удвоение происходило раз в 40 лет.
Биология, химия и минералогия с точки зрения функций находятся в тесной интегральной зависимости: «биологический идеал» в химии и «химический идеал» в биологии. Следовательно, сегодня в горном деле с философской точки зрения утверждается новая «химико-биологическая идеология», реализующаяся с инженерной точки зрения в достижении идеалов (целей) на базе развития химии и биологии.
«Биологический идеал» в химии — идеал синтеза в искусственных условиях живых веществ (микроорго-низмы — бактериальные клетки с новым энергетическим дизайном и метаболизмом в экстремальных условиях биовыщелачивания), аналогичных прототипу — продуктам живой природы, которые активно участвовали в круговороте веществ и энергии в земной коре. Однако «биологический идеал», достигнутый на основе знаний химии, не связан с биологией как наукой прямым образом.
«Химический идеал» в биологии — идеал синтеза в искусственных условиях веществ (искусственных месторождений полезных ископаемых), аналогичных продуктам неживой природы, реальные достижения «нестационарной кинетики» на основе знаний эволюционной и кинетической химии в области моделирования биокатализаторов.
Поэтому учёным следует отталкиваться от прототипа физико-химических технологий добычи полезных ископаемых, которые являются процессами обратных моделей, связанных с магматизмом, метаморфизмом, генезисом.
Разработка способов и методов выщелачивания тем эффективнее, чем целенаправленнее осуществляется совместная деятельность специалистов химии, биологии и горного дела по синтезу алгоритмов эволюционных процессов в неживой природе (генезис) — аналогов (прототипов) ФХГ, как это реализовано при биовыщелачивании — технологии, заимствованной у природы, смоделировавшей природные условия синтеза без детальных знаний механизмов минералообразования.
Использование свойств кластеров (металл, находящийся в минеральной матрице в форме нановключений — п • 10_9—10"7 м) в гидрометаллургическом смысле, позволит разделять металлы меди, урана, золота, редких, рассеянных и некоторых радиоактивных элементов с очень высоким (возможно, 100-процентным) выходом на атомно-молекулярном уровне.
Процессы выщелачивания рассматриваются, как правило, на макроуровне при последовательном фазовом превращении компонентов из одного агрегатного состояния в другое. Следует изучать взаимодействие агрегатов молекул гетерогенной термодинамической системы в зависимости от основных лимитирующих стадий процесса выщелачивания, степени вскрытия растворяемого компонента, внешней и внутренней диффузии подвода растворителя (в том числе живого возобновляемого биореагента как открытой системы высочайшей организации белковых структур) и рабочего флюида, собственно химического и биологического взаимодействия (в том числе интенсификации), отвода продуктов реакции.
Основой создания новых технологий в области ФХГ являются фундаментальные исследования процессов выщелачивания, протекающих в недрах
земли, и разработка критериев пригодности месторождений твёрдых полезных ископаемых различных видов.
Дальнейшее развитие должны получить термодинамическая и кинетическая теории межфазового ионного обмена. Это позволит разработать методы концентрации ценных компонентов из разбавленных водных растворов с использованием процесса флотоэкстракции (SolventSublation-SS) ионов цветных и редкоземельных металлов додецилсульфатом натрия, а также цианидное выщелачивание металлов из окатышей, которые предварительно обработаны активированными растворами реагентов, полученными на основе физико-химических воздействий.
Выщелачивание металлов из пород не ограничивается областью только положительных температур. В России многолетнемерзлые породы занимают более 40 % ее территории, поэтому необходимо решить ряд проблем, в том числе бурение скважин сложного профиля в массивах вечной мерзлоты для проведения работ по СПВ.
Создание высокоэффективной техники и технологии вскрытия месторождений полезных ископаемых ФХМ, в том числе разработка эффективных конструкций добычного оборудования по созданию скважин, отвечает экологическим и экономическим требованиям.
Велением времени является разработка технологии подготовки новых эффективных рабочих флюидов, в том числе с применением эффективных растворителей и сообществ микроорганизмов для выщелачивания, включая суровые климатические условия и территории вечной мерзлоты.
Для изменения (снижения или увеличения) уровня агрессивности растворов (кислот и щелочей) акту-
ально применение неводных растворов при выщелачивании минеральной массы. Применение поликомпонентных растворителей (например, кислотно-щелочных, органо-неорганических) при оптимальном соотношении составных частей позволит направленно смещать кислотно-основное равновесие и получать синергетический эффект избирательности выщелачивающих агентов. Разработка теоретических основ и экспериментальные исследования безреагентных способов осаждения с применением ускорителей электронов позволит увеличить эффективность процессов.
Развитие СП В связано с разработкой комбинированных технологических схем [14]. Варианты комбинаций
традиционной технологии и СП В представлены на рис. 2.
Разработка и внедрение эффективных технологий переработки и утилизации добытых продуктивных флюидов позволит получить товарную продукцию новых видов (поташ, сода, фосфорные удобрения, хлористый кальций, селективные сорбенты повышенной ёмкости и др.).
Повысить эффективность извлечения металлов наноразмерного уровня возможно на основе различных способов интенсификации процессов с использованием тепловых, электромагнитных, микробиологических и других методов воздействий.
Следует отметить значительно возросший интерес инвесторов к раз-
0 ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Доля балансовых запасов в общем объеме Мб/М
130 140 150
40% ТС 60% СПВ 15% ТС 85% СПВ 40% ТС 60% СПВ 15% ТС 85% СПВ 40% ТС 60% СПВ 15% ТС 85% СПВ Область применения
где: £[ — коэффициент извлечения ПК для принятой системы разработки, относительные единицы; £2 — коэффициент извлечения ПК из добытой руды в концентрат, относительные единицы; £3 — коэффициент извлечения ПК из концентрата и конечный продукт, относительные единицы; £4 — коэффициент извлечения ПК из руды при подземном выщелачивании, относительные единицы; £к — полное извлечение ПК из недр и конечный продукт, относительные единицы; £т — полнота извлечения ПК при рассматриваемом способе, относительные единицы; М — общее количество ПК в недрах до начала разработки, массовые единицы; Мб — общее количество ПК, в балансовом контуре, массовые единицы;
М4 . количество ПК, извлекаемое из недр в результате частичного выпуска руды при ТС для образования компенсационных пространств и выдачи ее па поверхность; /- коэффициент пропорциональности_
Рис. 2. Варианты комбинаций традиционной системы (ТС) и СПВ: а — результаты расчёта коэффициента сквозного извлечения полезного компонента (ПК); б — границы применения комбинированной геотехнологии
Fig. 2. Variants of combinations of the traditional system (TS) and SPV: a — results of calculation of the coefficient of end-to-end extraction of the useful component (PC); b — limits of application of the combined geotechnology
работке россыпных месторождений методом СПВ. Можно выделить две группы объектов, перспективных для отработки методом СПВ: техногенные и природные. К техногенным объектам относятся эфели переработки россыпных месторождений и хвостох-ранилища фабрик. К природным объектам относятся глубоко погребённые аллювиальные и аллювиально-пролю-виальные россыпи с мелким и тонким золотом.
Решение химико-экологических проблем извлечения золота как из коренных руд, так и из россыпных месторождений, можно достичь на основе применения подземного выщелачивания селективными химическими растворителями (тиокарбамидное, хло-ридное, йодидное, тиосульфатное, аммиачно-тиосульфатное, бромидное). Перспективно использование кис-
лот в качестве коллектора металлов и для диспергирования коллоидных металлов.
При гидрометаллургическом вскрытии золотосодержащего сырья с использованием энергетических воздействий и микроорганизмов, возможно интенсифицировать процесс бактериально-химического окисления и дезинтеграции сульфидных минералов при предварительной обработке увлажнённого сырья МЭМИ с амплитудой напряжённости электрической компоненты поля, большей электрической прочности материала, в результате которого наблюдается снижение рН и рост Eh продуктивного раствора.
Инновационный взгляд на решение геотехнологических задач под СПВ заставляет более пристально задуматься над перспективами вариаций этого способа (рис. 3).
Рис. 3. Пример комбинированной технологии (ТС+ФХГ) Fig. 3. Example of combined technology (TC+FCHG)
Изучение влияния электрохимической обработки на физико-химические свойства жидкой фазы гетерогенных систем, включая регулирование их рН и ОВП, позволит изменять поверхностные свойства минералов. Изучение методов и способов электрохимической модификации водных систем поможет умягчать технологические и природные воды для реализации безреагент-ного метода умягчения воды.
Большую перспективу имеют сорб-ционно-экстракционные, электрохимические и мембранные процессы, методы электрохлоринации для извлечения металлов из растворов, реэкстракция.
С целью замены щелочных цианидов другими растворителями золота и серебра и изменения равновесия физико-химической системы гомогенных и гетерогенных фаз следует продолжить исследования по использованию галогенсодержащих растворителей и электронообменных смол и волокон.
Важным направлением извлечения цветных металлов является предварительная подготовка минеральной массы радиационно-термическим методом, основанным на низкотемпературном эффекте, под действием пучка ускоренных электронов. При переходе немагнитных сульфидов в магнитные продукты в зависимости от крупности частиц происходит изменение удельного магнитного момента минералов в десятки и сотни раз.
Требуется активное проведение технологических исследований в области микробиологических способов подземного, кучного, кюветного, скважин-ного подземного выщелачивания, в том числе применяемых в криолитозоне, биогетерокоагуляции, биомодификации минералов, биоэлектрокаталитиче-ских процессов растворения металлов, использовании биокатализаторов, биоагрегатов и биосорбции.
Горнодобывающая промышленность и специалисты по обогащению и переработке руд на протяжении последних полувека ощущают снижение качества руд. Руды становятся беднее, а распределение в них полезных компонентов сложнее. При этом сложнее становится минеральный состав руд, сильнее становятся связи полезных компонентов с их минералами-носителями, меньше становятся размеры полезных минералов. Например, типичные месторождения малосульфидной золото-кварцевой формации практически выработаны, а доля месторождений золота в черносланце-вой формации, где золото так называемое наноразмерное, возрастает [15].
Отсюда неизбежно возникает проблема изменения подхода к самим источникам минерального сырья, а именно, к месторождениям полезных ископаемых. Требуется поиск и методологическое сопровождение разработки технологии создания искусственного месторождения (геотехногенного ору-денения).
Как показывает анализ строения рудных месторождений и закономерностей процесса их образования, определяющих распределение в пространстве недр химических элементов и их концентраций, подход к решению задачи обнаруживается в природе.
Для извлечения тонкого золота используется технология кучного выщелачивания в различных его вариантах, сущность которого заключается в растворении полезного компонента [16]. Одной из модификаций кучного выщелачивания, как известно, является извлечение полезного компонента из руды в подземных выработках без выдачи её на-гора [17].
Абсолютное большинство рудных месторождений сопровождается геохимическими ореолами, образующимися в процессе их эндогенного фор-
мирования. Ассоциации химических элементов в них включают как главные промышленные компоненты, например золото, серебро, молибден, медь, свинец, цинк, висмут, так и ценные примесные элементы, в частности, индий, кадмий, галлий и другие. Обычно геохимические ореолы локализованы в надрудных частях гидротермальных месторождений в виде мелко-прожил-ковой или мелко-гнездовой вкрапленности рудных минералов. При этом полезные компоненты, составляющие главное полезное ископаемое, не всегда находятся в минеральных формах, концентрирующих их в кондиционных рудах. Поэтому даже совершенствование известных технологий обогащения, применяемых для извлечения рудных минералов с целью их извлечения из некондиционных минеральных ассоциаций, может быть неудачным.
Кроме того, в рудных провинциях известно большое число фрагментов земной коры, где концентрации полезных компонентов не достигают величин, позволяющих на данном уровне технологии обогащения экономически выгодно их извлекать. В результате геологоразведочных работ, включающих как поиски, так и разведку месторождения, получается практически исчерпывающая информация о формах и размерах как рудных тел, так и надрудных геохимических ореолов и непромышленного оруденения на флангах рудных тел и месторождения в целом [18].
Эта ценнейшая информация в практике геологоразведочных работ в СССР использовалась для изучения геохимической зональности геохимических ореолов с целью разработки геохимических методов поисков и оценки уровня эрозионного среза рудных месторождений [18 — 20]. Но она же может быть использована и для определения локализации, форм и размеров
потенциальных рудных тел и концентрации в них полезных компонентов, которые при условии их мобилизации растворителем и концентрирования на геохимических барьерах могут дать возможность создания геотехногенного промышленного оруденения в процессе геотехногенеза [21].
Такой подход к решению задачи является одним из направлений физико-химической геотехнологии, которая интенсивно развивается в связи с необходимостью вовлечения в сферу освоения непромышленного оруденения.
В настоящее время в процессе подготовки месторождений к эксплуатации открытым способом для достижения уровня промышленных руд производится разрушение, перемещение и складирование так называемых вскрышных пород, на что затрачиваются существенные средства. При этом в результате взрывных работ неизбежно происходит разуплотнение горных пород вскрыши. При этом возможно моделирование процессов разуплотнения [21, 22]. В естественных условиях вскрытая верхняя часть месторождения, а также складированные горные породы вскрыши, обогащенные рудными компонентами, подвергаются воздействию атмосферных осадков. В результате фильтрации поверхностных вод через массивы разуплотненных горных пород, содержащих полезные компоненты, происходит их частичное растворение и перемещение вниз до границы уровня водоносного горизонта, способного быть физико-химическим геохимическим барьером, на котором может формироваться зона вторичного сульфидного обогащения в случае редукции сульфат-иона в сульфиды при недостатке кислорода.
Таким способом, как это давно известно, в природных условиях вскрытые в результате эрозии верхние
части рудных месторождений подвергаются окислению и формируются зоны окисления. С глубиной в зонах окисления нарастает дефицит кислорода, и проникающие вниз сульфаты в водных растворах на физико-химическом геохимическом барьере редуцируются в сульфиды с образованием зоны вторичного сульфидного обогащения на сульфидных месторождениях, представляющие собой богатые руды меди, золота и серебра, представленные вторичными гипергенными халькозином, ковеллином, идаитом, аргентитом и другими минералами.
Этот процесс предлагается моделировать с целью образования геотехногенных зон вторичного сульфидного обогащения в горных породах вскрыши и преобразования первичных геохимических ореолов в рудные тела.
Задача может быть решена, по крайней мере, двумя способами:
1. Технология создания геотехногенных рудных тел на основе перевода в раствор халькофильных химических элементов вскрытых верхних частей первичных геохимических ореолов. В результате частичной вскрыши с использованием буровых скважин для взрывчатых материалов создаются зоны разуплотнения. Они используются для циркуляции кислых растворителей сквозь обогащенные зоны первичных геохимических ореолов с дальнейшим осаждением их на физико-химических и биогеохимических барьерах в зонах, прилегающих к кондиционным рудным телам в пределах разведанных месторождений, подземная разработка которых начинается с нижних горизонтов. За годы отработки снизу в верхней части месторождения успевают формироваться кондиционные геотехногенные рудные тела.
В связи с тем, что в процессе взрывания, особенно массового, аммонита,
образуются окислы азота, в присутствии воды генерирующие азотную кислоту, должно происходить усиление окисления сульфидов и формирование серной кислоты. С увеличением растворения сульфидов, прежде всего, пирита, всегда присутствующего в зонах околорудноизмененных горных пород, количество её возрастает, и процесс окисления далее идет спонтанно.
Особенностью серной кислоты является также способность растворять силикаты, фторкарбонаты, алюмо-фосфаты и другие минеральные формы полезных компонентов, не извлекаемые реагентами, обычно используемыми в практике обогащения и предела руд.
Поскольку в процессе разведки месторождения детально изучаются структура рудного поля и его гидрогеологические особенности, анализ этих данных следует учитывать для определения уровня, свойств и размеров геохимических барьеров, на которых должно происходить формирование зоны вторичного сульфидного обогащения. Для усиления процесса восстановления сульфатов до сульфидов необходимо использование биогеотех-нологии, основанной на жизнедеятельности сульфат-редуцирующих бактерий.
Таким представляется простейший подход к решению задачи создания геотехногенных рудных тел в пределах известных рудных полей для наращивания запасов кондиционных руд на основе известной теории формирования зон вторичного сульфидного обогащения. Однако на практике он будет сопряжен с решением задачи поиска или создания геохимических барьеров.
2.Технология формирования геотехногенных месторождений на основе перевода в миграционное состояние полезных компонентов в лежалых
складах вскрышных горных пород, сформированных в процессе подготовки месторождений к разработке открытым способом в прежние годы, или складов некондиционных руд. Вероятность интенсивной миграции рудных элементов в кислых водных растворах, циркулирующих в лежалых складах вскрышных пород, примыкающих к бортам карьера бывшего Шерловогорского ГОКа (Забайкалье), доказана нашими многолетними исследованиями.
В естественных условиях в результате фильтрации поверхностных вод через массивы вскрышных пород, содержащих полезные компоненты, и перемещения их в геотехногенные водоемы на дне карьеров, где они могут находиться в растворенном виде в про-мышленно ценных концентрациях, возможно их извлечение на физико-химических или гидродинамических геохимических барьерах с возвратом оборотной воды в водоем для последующего обогащения воды полезными компонентами.
Возможность извлечения полезных компонентов из вод геотехногенных водоемов показана на примере озерной воды в карьере бывшего Шерловогор-ского ГОКа, где использованы специально обработанные клиноптилолит-монтмориллонитовые горные породы Шивыртуйского месторождения цеолитов [23].
Заключение
Многофакторный анализ состояния уровня развития ФХГ (скважинное, подземное, кучное и бактериальное выщелачивание) в зарубежной и отечественной практике позволил выявить ряд проблем в горной отрасли России.
Учёт главных факторов ФХГ, влияющих на избирательность растворения требуемых химических элементов, реа-
лизация новых подходов к разработке экологощадящих технологий («зеленая инженерия», «экоинженерия»), активное научное сотрудничество химиков, микробиологов и специалистов горного профиля обеспечит извлечение практически любого полезного компонента на уровне 100 % .
Разработка и внедрение комбинированных ФХТ позволят одновременно отрабатывать природные и техногенные месторождения как длительного периода консервации, так и текущей добычи.
Алгоритм создания геотехногенных месторождений («минералогического идеала» по синтезу аналогов природных минеральных тел) основан на известном природном процессе формирования новых рудных тел по типу зон вторичного сульфидного обогащения на сульфидных месторождениях. Он включает использование данных разведки месторождения о пространственном положении, формах, размерах первичных геохимических ореолов, сопровождающих месторождение, а также содержаниях и минеральных формах полезных компонентов в них.
Решение научной задачи создания искусственных месторождений предполагает: разработку теоретических основ и методологии создания геотехногенного оруденения (гипотетическое представление о возможности эволюционных процессов в неживой природе); экспериментальное изучение: а) условий перевода полезных химических элементов в миграционные формы; б) условий миграции и осаждения на геохимических барьерах; в) минеральные формы их в новообразованных рудных телах; г) определение положения в пространстве геохимического барьера; д) изучение возможности использования для сульфат-редукции соответствующих бактерий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Юргенсон Г. А. Ландшафтно-геохимические и геоэтические проблемы исторических горнопромышленных территорий на примере Забайкалья/// Горный журнал, 2020, №5. С.81 - 87. D0l:10.17580/gzh.2020.05.15.
2. Аренс В. Ж., Горное дело и его влияние на развитие цивилизации // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2017. — S1. — С. 263—276.
Аренс В. Ж., Шумилова Л. В., Фазлуллин М. И., Хчеян Г. Х. Перспективные направления химической и микробиологической переработки минерального сырья цветных и благородных металлов // Металлург. — 2017. — № 9. — С. 82 — 89.
4. Скважинное подземное выщелачивание золота / под. общ. ред М. И. Фазлуллина; НПП«ГЕОТЭП. — Винпресс, 2017. — 336 с.
5. Королева Е. Б., Жигилей О. Н., Кряжев А. М., Сергиенко О. И., Сокорнова Т. В. Наилучшие доступные технологии: опыт и перспективы. — Санкт-Петербург, 2011. — 123 с.
6. Шадрунова И. В., Орехова Н. Н. Технологические и эколого-экономические аспекты ресурсосберегающей переработки техногенного гидроминерального сырья горных предприятий цветной металлургии //Горный информационный аналитический бюллетень. — 2015. — № 1. — С. 177 — 182.
7. Голик В. И., Комащенко В. И. Практика выщелачивания металлов из отходов переработки руд // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. — 2016. — № 3. — С. 13—23.
8. Budikina M. E., Zarovnyaev B. N., Shubin G. V., Sokolova M. D. Perspective technologies for development of peat deposits in conditions of permafrost / 19th International MuLtidiscipLinary Scientific Geoconference SGEM. 2019. Vol. 19. No 1.3. Pp. 493 — 498.
9. Секисов А. Г., Рубцов Ю. И., Лавров А. Ю. Активационное кучное выщелачивание дисперсного золота из малосульфидных руд // Записки Горного института. — 2016. — Т. 217. — С. 96—101.
10. Ashane Fernando, I. M. S. K. ILankoon, Meng Nan Chong, Tauqir Haider Syed. Effects of intermittent Liquid addition on heap hydrodynamics // Minerals Engineering. 2018, Vol. 124, August, pp. 108—115.
11. Kalybekov T., Rysbekov K., Zhakypbek Y. Efficient land use in open-cut mining / New developments in mining engineering 2015: theoretical and practical solutions of mineral resources mining. London: ImprintCRC Press, 2015, pp. 287—291.
12. Савенок О. В., Кусов Г. В. Обоснование применимости экспоненциального закона распределения при оценке надежности блочного автоматизированного нефтепромыслового оборудования // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 8. — С. 158-165.
13. Рыльникова М. В., Галченко Ю. П., Радченко Д. Н. Методика проведения мониторинга современного состояния горнотехнических систем и окружающей среды в регионах их функционирования // Условия устойчивого функционирования минерально-сырьевого комплекса России. 2014. Вып. 2. С. 11- 33.
14. Аренс В. Ж., Гридин О. М., Крейнин Е. В., Небера В. П., Фазлуллин М. И. и др. Физико-химическая геотехнология. — М.: Горная книга, 2010. — 575 с.
15. Lalomov A. V., Chefranov R. M., Naumov V. A., Naumova O. B., LeBarge W., Dilly R. A. Typomorphic features of placer gold of Vagran cluster (the Northern Urals) and search indicators for primary bedrock gold deposits // Ore Geology Reviews. 2017. Vol. 85. P. 321-335.
16. Шумилова Л. В. Научное обоснование инновационной технологии извлечения золота: разработка, апробация в условиях Забайкалья. Saarbrucken:PalmariumAcademic Publishing, 2014. — 372 с.
17. Alekseev V. I., Marin Yu. B., Gembitskaya I. M. Gahnite in Rare-Metal Metasomatic Rocks of the Verkhneurmiysky Ore Cluster, Amur River Region // Geology of Ore Deposits. 2018. Vol. 59. Iss. 8. P. 765-77.
18. Гоигорян С. В. Первичные геохимические ореолы при поисках и разведке рудных месторождений.- М.: Недра, 1987.- 403 с.
19. Гоигоров С. А. Прикладные аспекты структурного метода поисков по геохимическим данным. — М.: Наука, 1990. — 157 с.
20. Юргенсон Г. А. Типоморфизм и прогноз золотосеребряного оруденения. Чита: Изд-во Забайкальского госуниверситета, 2014. — 170 с.
21. Latyshev O. G., Prishchepa D. V. Modeling of a fractured rock mass and investigation of its stress-strain state by the finite element method //Mining journal. 2020, no. 5. Pp. 11 — 14.
22. Ofoegbu G. I., Smart K. I. Modeling discrete fractures i9n continuum analysis and insights for fracture propagation and mechanical behavior of fractured rock // Results in Engineering. 2019. vol. 4.100070.
23. Эпова Е. С., Еремин О. В., Филенко Р. А., Юргенсон Г. А. Изучение комплексной сорбции в системе геотехногенные растворы — цеолитовые породы // Химия в интересах устойчивого развития. 2013. Т. 21. № 2. С. 207—210. гатт
REFERENCES
1. Yurgenson G. A. Landscape-geochemical and geoethical problems of historical mining territories on the example of Transbaikalia. Gornyj zhurnal. 2020. no.5. pp.81 — 87. D0I:10.17580/gzh.2020.05.15. [In Russ]
2. Arens V. Zh. Mining and Its influence on the development of civilization. Miner's week. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2017. S1. pp. 263—276. [In Russ]
3. Arens V. Zh., Shumilova L. V., Fazlullin M. I., Hcheyan G. H. Perspective directions of chemical and microbiological processing of mineral raw Materials of non-ferrous and precious metals. Metallurg. 2017. no. 9. pp. 82 — 89. [In Russ]
4. Skvazhinnoe podzemnoe vyshchelachivanie zolota [Borehole underground leaching of gold]. pod. obshch. red M. I. Fazlullina; NPP«GEOTEP. Vinpress, 2017. 336 p. [In Russ]
5. Koroleva E. B., Zhigilej O. N., Kryazhev A. M., Sergienko O. I., Sokornova T. V. Nailuchshie dostupnye tekhnologii: opyt i perspektivy [Best available technologies: experience and prospects]. Sankt-Peterburg, 2011. 123 p. [In Russ]
6. Shadrunova I. V., Orekhova N. N. Technological and ecological-economic aspects of resource-saving processing of technogenic hydromineral raw materials of mining enterprises of non-ferrous metallurgy. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2015. no. 1. pp. 177—182. [In Russ]
7. Golik V. I., Komashchenko V. I. Practice of leaching metals from ore processing waste. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle. 2016. no. 3. pp. 13 — 23. [In Russ]
8. Budikina M. E., Zarovnyaev B. N., Shubin G. V., Sokolova M. D. Perspective technologies for development of peat deposits in conditions of permafrost. 19th International Multidisciplinary Scientific Geoconference SGEM. 2019. Vol. 19. no. 1.3. Pp. 493 — 498.
9. Sekisov A. G., Rubcov Yu. I., Lavrov A. Yu. Activation heap leaching of dispersed gold from low-sulfide ores. Zapiski Gornogo instituta. 2016. T. 217. pp. 96 — 101. [In Russ]
10. Ashane Fernando, I. M. S. K. Ilankoon, Meng Nan Chong, Tauqir Haider Syed. Effects of intermittent liquid addition on heap hydrodynamics. Minerals Engineering. 2018, Vol. 124, August, pp. 108—115.
11. Kalybekov T., Rysbekov K., Zhakypbek Y. Efficient land use in open-cut mining. New developments in mining engineering 2015: theoretical and practical solutions of mineral resources mining. London: ImprintCRC Press, 2015, pp. 287—291.
12. Savenok O. V., Kusov G. V.Substantiation of the applicability of the exponential distribution law in assessing the reliability of block automated oilfield equipment. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2016. no. 8. S. 158-165. [In Russ]
13. Ryl'nikova M. V., Galchenko Yu. P., Radchenko D. N. Metodika provedeniya monitoringa sovremennogo sostoyaniya gornotekhnicheskih sistem i okruzhayushchej sredy v regionah ih funkcionirovaniya. Usloviya ustojchivogo funkcionirovaniya mineral'no-syr'evogo kompleksa Rossii [Methodology for monitoring the current state of mining systems
and the environment in the regions of their functioning. Conditions for the sustainable functioning of the Russian mineral resource complex]. 2014. Vyp. 2. pp. 11- 33. [In Russ]
14. Arens V. Zh., Gridin O. M., Krejnin E. V., Nebera V. P., Fazlullin M. I. i dr. Fiziko-himicheskaya geotekhnologiya [Physical and chemical Geotechnology]. Moscow: Gornaya kniga, 2010. 575 p. [In Russ]
15. Lalomov A. V., Chefranov R. M., Naumov V. A., Naumova O. B., LeBarge W., Dilly R. A. Typomorphic features of placer gold of Vagran cluster (the Northern Urals) and search indicators for primary bedrock gold deposits. Ore Geology Reviews. 2017. Vol. 85. P. 321-335.
16. Shumilova L. V. Nauchnoe obosnovanie innovacionnoj tekhnologii izvlecheniya zolota: razrabotka, aprobaciya v usloviyah Zabajkal'ya [Scientific substantiation of the innovative technology of gold leaching (working, testing in conditions of Transbaikalie)]. Saarbrucken:PalmariumAcademic Publishing, 2014. 372 p.
17. Alekseev V. I., Marin Yu. B., Gembitskaya I. M. Gahnite in Rare-Metal Metasomatic Rocks of the Verkhneurmiysky Ore Cluster, Amur River Region. Geology of Ore Deposits. 2018. Vol. 59. Iss. 8. P. 765-77.
18. Grigoryan S. V. Pervichnye geohimicheskie oreoly pri poiskah i razvedke rudnyh mestorozhdenij [Primary geochemical halos in the search and exploration of ore deposits]. Moscow: Nedra, 1987. 403 p. [In Russ]
19. Grigorov S. A. Prikladnye aspekty strukturnogo metoda poiskov po geohimicheskim dannym [Applied aspects of the structural search method based on geochemical data]. Moscow: Nauka, 1990. 157 p. [In Russ]
20. Yurgenson G. A. Tipomorfizm i prognoz zolotoserebryanogo orudeneniya [Typomorphism and forecast of gold-silver mineralization]. Chita: Izd-vo Zabajkal'skogo gosuniversiteta, 2014. 170 p.
21. Latyshev O. G., Prishchepa D. V. Modeling of a fractured rock mass and investigation of its stress-strain state by the finite element method. Mining journal. 2020, no. 5. Pp. 11 — 14.
22. Ofoegbu G. I., Smart K. I. Modeling discrete fractures i9n continuum analysis and insights for fracture propagation and mechanical behavior of fractured rock. Results in Engineering. 2019. vol. 4.100070.
23. Epova E. S., Eremin O. V., Filenko R. A., Yurgenson G. A. Study of complex sorption in the geotechnogenic solutions zeolite rocks system. Himiya v interesah ustojchivogo razvitiya. 2013. T. 21. no. 2. pp. 207—210. [In Russ]
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Шумилова Лидия Владимировна — докт. техн. наук, доцент, профессор, Забайкальский государственный университет, Чита, Россия, е^^^: shumilovalv@ mail.ru; Юргенсон Георгий Александрович — докт. геол.-минерал. наук, главный научный сотрудник, Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН, профессор, Забайкальский государственный университет, Чита, Россия, e-mail: yurgga@mail.ru.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Shumilova L. V., Dr. Sci. (Eng.), associate Professor, Professor, Transbaikal State University, Chita, Russia, e-mail: shumilovalv@ mail.ru;
Yurgenson G. A., Dr. Sci. (Geol. Mineral.), chief researcher, Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology SB RAS, Professor, Transbaikal State University, Chita, Russia, e-mail: yurgga@mail.ru.
Получена редакцией 26.10.2020; получена после рецензии 02.12.2020; принята к печати 10.02.2021. Received by the editors 26.10.2020; received after the review 02.12.2020; accepted for printing 10.02.2021.
