Специальные способы разработки сложноструктурных месторождений Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 16

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© Б.С. Цидаев, ВИ. Голик, А.Е. Воробьев, Г.Т. Гуриев А.А. Сыса, 2001

УДК 622.27

Б.С. Цидаев, ВИ. Голик, А.Е. Воробьев, Г.Т. Гуриев, А.А. Сыса

СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ РАЗРАБОТКИ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Развитие специальных способов добычи минерального сырья предоставляет возможности расширения сырьевой базы за счет экономически оправданного вовлечения в горный передел ранее некондиционных запасов руд.

Отработка гидрогенных осадочных гидрогенных месторождений бедно-товарных руд, залегающих в сложных горно-геологических условиях, сопряжена со значительными экономическими и технологическими трудностями и требует новых технических решений.

Одним из таких решений является способ скважинной гидродобычи в сочетании с кучным выщелачиванием.

При комбинировании используется феномен технологической подготовки руд для выщелачивания уже в процессе гидро-размывания массива. Опыт комбинирования открывает возможности вовлечения в эксплуатацию ранее считавшихся непригодными участков месторождений.

С 70-х годов в СССР, США, Канаде, Германии, Чехословакии, Болгарии и др. значительная часть урана и меди добывается подземным и кучным выщелачиванием. Способ перспективен для добычи титана, ванадия, марганца, железа, кобальта никеля, цинка, селена, молибдена, золота и других металлов.

Наиболее распространены скважинные системы выщелачивания металлов из руд. Процесс выщелачивания осуществляют фильтрационным потоком реагента, движущимся по рудоносному водопроницаемому пласту от закачных скважин к откачным. Система работает в стационарном режиме фильтрации, обеспечиваются максимальная локализация зоны циркуляции растворов, минимальные потери реагента за счет растекания, исключаются осложнения в работе рас-творо-подъемных установок.

При шахтных системах подземного выщелачивания вскрытие, подготовку месторождений и извлечение полезных компонентов в раствор осуществляют с помощью горных выработок. Различают системы вы-

щелачивания металлов из руд с естественной проницаемостью (скорость фильтрации 0,05-10 м/сут), с искусственной проницаемостью (0,05-0,005 м/сут) и из замагазинированных руд (менее 0,005 м/сут и коэфф. 10 м/сут).

Шахтным выщелачиванием отработано Быкогорское урановое месторождение (Северный Кавказ). Предприятие реконструировано в геотехнологический комплекс с подземным и кучным выщелачиванием металлов из забалансовых руд.

Свойства руд и пород: коэффициент крепости по шкале М.М. Протодьяконова: массивных гранит- порфиров 12-15; гранит- порфиров зон дробления 8-10; мергелей, аргиллитов и песчаников 2-6; коэффициент рудоносно-сти 0,25-1,0; мощность рудного тела - до 20м; коэффициент фильтрации-до 0,1 м/сутки; наличие карбонатов - 1,0 %; наличие глинистых минералов - 6,0 %;

Система разработки - этажным принудительным обрушением с отбойкой руды глубокими скважинами в зажатой среде, магазинированием и выщелачиванием металла инфильтрационным потоком реагента. Технология позволила повысить безопасность работ, уменьшить в 3 раза объем нарезных работ, в 2,5 раза увеличить эффективность горно-подготови-тельных работ, увеличить активные запасы руды на 20-30 %.

Кучное выщелачивание применяют, как правило, вместе с шахтным, но на Целинном ГХК (Северный Казахстан) уже более 15 лет таким способом получают металл из хвостов ГМЗ. Опыт кучного выщелачивания на предприятиях бывшего МАЭП СССР свидетельствует, что научные основы кучного выщелачивания разработаны достаточно полно.

Фильтрационная неоднородность руды, как главное условие выщелачивания в куче определяется по зависимости скорости упругих волн от плотности, характеру взаимосвязи между скоростью упругих волн и крупностью руд и величине разрыхления горной массы. Для возбуждения колебаний при исследованиях на месторождении Семизбай использовали заряды ВВ, а для регистрации напряжений осциллографы. Вместе с зарядом в скважину устанавливали датчик отметки момента взрыва, замкнутый на гальванометр осциллографа. По вступлениям датчиков и отметке момента взрыва определяли время движения волн напряжений по массиву. По времени движения и расстоянию от заряда до датчика, определяли скорость распространения волн напряжений. При разрыхлении 1,6—1,7 и диаметре куска 0,07-0,08 м скорость распространения волн напряжений составляет порядка 500 м/с. С уве-

личением плотности в 1,2 раза скорость распространения волн напряжений увеличивается в 1,4 раза.

Механизм растекания раствора моделируют в трубе на порциях руды крупностью +5-10 мм. Колонна оборудована днищем, позволяющим расчленить поток на ряд участков, каждый из которых характеризуется скоростью движения воды и степенью заполнения по-рового пространства. Зоны растекания разделяются с помощью концентрично расположенных в основании колонны цилиндров, приваренных к перфорированному диску и образующих изолированные друг от друга приемные и расходные отсеки с общим дном. Расходные отсеки снабжены патрубками; с помощью которых дренирует раствор. Сечение патрубков обеспечивает сток воды. Количество воды контролируется с помощью водосборного лотка.

Удельный расход реагента с удалением от трубки уменьшается. При уменьшении коэффициента разрыхления с 1.8 до 1.7, т.е. всего на 9 %, плотность заполнения порового пространства уменьшается почти в два раза. Чем меньше разрыхление, тем стабильнее процесс передачи вещества из руды в раствор, а продуктивные растворы меньше различаются по концентрации металла. Увеличение радиуса зоны разрыхления путем повышения расхода реагента сопровождается перерасходом реагента.

Для отработки плывунной части месторождений непригодны ни традиционные, ни одна из геотехнологий. Этим условиям отвечают комбинированные системы из элементов скважинных и шахтных систем выщелачивания, из элементов традиционных систем

Рис. 1. Зависимость параметров СГД от длины размывания

разработки и шахтных систем выщелачивания, а также из элементов СГД для отделения руды от массива и транспортирования и КВ для извлечения металлов из

руд.

Опыт применения способа СГД ограничивается несколькими предприятиями по добыче урана и химического сырья. Результаты его применения свидетельствует о возможности более широкого внедрения в условиях рассмотренных и аналогичных им месторождений.

Гидровымывание струей воды, подаваемой под давлением, освоено при вскрытии угольных пластов и меньшей степени при добыче руд. Вскрытие пластов осуществляется через скважины диаметром 120-200 мм, при давлении воды у насадки 4-7 МПа и расходе не менее 20 м3/ ч. Высота полости не превышает 25 см, длина — 10-12 м, ширина целиков между полостями не превышает 30 см. Производительность монитора при скважинной гидродобыче достигает 40 т/ч.

Основной недостаток гидро-добычных снарядов -необходимость предварительного расширения призабойной зоны скважины. Вывод гидромонитора в горизонтальное положение позволяет вести размыв на расстоянии до 10 м. Гидромониторный расширитель на базе гидроэлеваторного подъема используются до глубины 150 м, причем при глубине до 70-80 м размер негабаритного куска не превышает 40-45 мм, а при отработке продуктивного пласта свыше 100 м - 25 мм. Показатели гидро-выемки: коэффициент разубожива-ния 0,30-0,45; потери руды 25-30 %; при отработке рудного класса 0,6-0,8 м производительность агрегата 5-7 т/час. Увеличение расстояния от насадки до забоя ухудшает показатели размыва (рис. 1). При подъеме пульпы с глубины до 150 м с увеличением затопления гидро-элеватора коэффициент полезного действия установки растет.

Для разрушения горной породы давление струи на контакте с породой должно быть выше сопротивления сдвига. Потери напора, вызываемые внешней средой, приводят к уменьшению кинематической энергии и

м-/м5 120

100-

и7ч

80

60

40

20-

!2 -]

ё 1 10- 2 (1

1 §

1вН СО

1

1 4-

1

I г-<

скорости движения струи по мере удаления от насадки. Снижение скорости приводит к расширению струи, расходу кинетической энергии и разрушению струи.

Сила давления струи на преграду зависит от диаметра насадки и расстояния до преграды (рис. 2). Структура и параметры струи в затопленном забое определяются как первоначальным давлением на выходе, так и характеристиками окружающей среды - вязкостью- плотностью и т. п.

На предприятии п/я Г-4324 отрабатывали участок песчано-глинистых рудоносных отложений. Глубина залегания рудных тел 30-75 м, мощность 0,5-1 м. Обводненность слабая. Технологические скважины имели диаметр 425 мм. Характеристика гидроагрегата: давление в подводящей полости става - 50 атм.; давление в отводящей полости става - 14 атм.; производительность по пульпе - 330 м3/час; производительность по горной массе 7-10 т/час; масса снаряда -4400 кг; масса става - 10500 кг. Затраты времени на технологические операции: монтаж буровой установки и бурение на глубину до 75 м - 40-50 час; монтаж гидро-добычной установки - 3 час; монтаж гидродобычного снаряда -1,5-2,5 час; гидро-размыв камеры - 10-20 час; демонтаж гидро-добычного снаряда -2,5-3 час; демонтаж добычной установки- 2 час; затраты времени на одну скважину - 60-70 час.

Показатели технологии: глубина скважин - до 75 м; мощность пласта - 0,7 м; система разработки - камерно-столбовая; сеть скважин - треугольная 25х25 м; производительность агрегата - до 10 т/час; расход воды на размыв - 100 м3/час, на подъем - 200 м3/час, на установку- 300 м3/час; потери воды в обороте - 2 м3/т; отношение Т к Ж при размыве - 1:10; период устойчивости камеры -15-20 час; коэффициент использования времени - 0,75; потери в целиках - 20 %; потери в днище камер - 5 %; разубоживание - 25 %; объем добычи с одной скважины на 1 агрегат - 600-700 т; диаметр скважин - 425 мм.

На п/о «Фосфорит» отрабатывали пласт кварцевых песков с обломками фосфатных раковин мощностью -1-5 м с включениями песчаников мощностью 0,5-3 м, отличающихся большей прочностью. Мощность покрывающих рудный пласт пород от нескольких метров до 85 м. Коэффициент фильтрации в рудном пласте в среднем 7 м/сут., по месторождению - 46 м/сут. Прочность на сжатие содержащего фосфорит песка 0,15-25 МПа. Угол внутреннего трения - 31-35°. Коэффициент сцепления - 0,0039-0,45 МПа.

Добыча осуществляется в затопленной камере. При 3-4 МПа обеспечивается разрушение и доставка до 200 т/час руды. Максимальный поперечный размер -

225 мм, длина телескопического ствола - 1,75 м, в ра-

Рис. 2. Параметры разрушения массива

бочем состоянии - до 6-8 м. Гидромонитор применяли в комплексе с эрлифтом кольцевого типа, располагаемым в отдельных скважинах. С глубины 20 м эрлифт выдавал 150-160 м3/т смеси.

Для отработки песчано-глинистых руд мощностью 0,3-0,5 м на глубине 50-200 м, применяли совмещенный гидро-элеватор с гидромонитором. Угол поворота ствола гидромонитора с насадками в горизонтальной плоскости - секторный (120°х 3 = 360°). Расход 70-80 м3/час. Воду на элеватор подавали под давлением 4,8 МПа с расходом 200 м3/час. Удельный расход воды -5-6 м3/т.

Гидромониторы с телескопическим стволом, вращающейся головкой и эрлифтами характеризуются показателями: объем добычи, тыс. т /на агрегат - 84; производительность, тонн: месячная - 19000, часовая - 85; чистое время отработки камеры, час. - 15; объем добычи из камеры, т - 900; удельный расход энергии, м3/т: воды -5, воздуха - 20; извлечение - 0,45-0,6; ра-зубоживание руды -20-25 %.

Гидромониторы с телескопическими стволами обеспечивают размер камер радиусом до 8 м. Наибольшую производительность обеспечивают эрлифты с центральной форсункой -110 т/ч. Гидро-элеваторы обеспечивают производительность - 30-40 т/ч руды. Подъем пульпы гидро-элеваторами возможен с глубины до 40-50 м.

Способ скважинной гидродобычи применим для отработки далеко не всех запасов. Так, технология возможна для отработки только 20-25 % запасов месторождения Семизбай на глубине до 100 м. Для СГД перспективны пористые, рыхлые и слабосвязанные залежи и даже плывуны, содержащие полезное ископаемое.

Скважинным подземным выщелачиванием разрабатывали урановое месторождений месторождение Семизбай. Геотехнологический комплекс (рис. 3) включал в себя 12-18 технологических скважин, 6-8 технологических скважин, 4 наблюдательных и 1-2 скважины водоснабжения. Технологические скважины располагали по рядной схеме с параметрами 10 на 2025м. Производительность откачных скважин 3-5 м3/ч, закачных 2,5-3 м3/ч. Скорость бурения скважин глубиной до 150м диаметром 100-150мм до 30 м/смену.

При математическом описании физико-химических процессов кинетическое уравнение концентрационного поля:

да да

р ¥+” &=-р- (1)

где а = а (х, () - концентрация металлов в растворе, кг/м3; р - масса вещества, переходящего в раствор в единицу времени в единице объема,

кг/м ; ” - средняя скорость фильтрации, м/с; р - эффективная пористость отвала; процент; х - продольная координата пространства, м; t - время реагирования, с.

Для определения массы выщелачиваемого вещества - используется уравнение внешне - диффузионной массопередачи:

р = Ь£, р = f (е) (2)

где к - коэффициент массопередачи; 5 - сумма реакционных площадей в единице объема пород, м2/м3 ; 5-извлечение металла в раствор, кг/м3.

Сумма реакционных площадей в единице объема пород зависит от диаметра кусков, отделяемых от массива струёй воды при СГД:

^ = /(г) (3)

где г - диаметр элементарного куска - продукта СГД.

Выщелачивание в кучах представляет собой замедляющийся со временем процесс растворения минералов в условиях одновременно конвективного массо-переноса и диффузионной массопередачи. Объем минерала зависит от размеров элементарных кусков-продуктов СГД:

Q = /(г) (4)

Выщелачивание металлов происходит в пределах площади, отношение которой к глубине проникновения:

15,

_1___

Q

(5)

где 51 - площадь поверхности твердого в единице объема выщелачивания, м2; 5і - площадь поверхностей і шарообразных элементов с радиусом г, м2.

В начальный период элементарная частица реагирует с реагентом поверхностной площадью на основе

конвекционного обмена. Параметры извлечения металлов в этой стадии:

дщ

дt

К є-

(6)

Вследствие влияния реагентов на минеральные частицы верхний слой их разрушается, вскрывая быстрее выщелачивающиеся поверхности с извлечением:

дт2

—2 = к2 •£• 52. (7)

дt 22

Интенсивность разрушения поверхности зависит от свойств минерала:

дт 7 Бр (0, X) = 52 (X), (8)

где Кр - коэффициент скорости разрушения поверхности.

Рис. 3. Скважинное подземное выщелачивание руд: комплексы: А -

добычной, Б - транспортный, В - перерабатывающий; 1 - 2 - уровни воды, 3 - рас-творопроводы, 4 - цех переработки, 5, 6 -закачные и откачные скважины, 7 - пески, 8 - водоупоры, 9 - границы оруденения

Таблица

КЛАССИФИКАЦИЯ ОСНОВНЫХ ПРИРОДНЫХ ФАКТОРОВ

Признаки КВ ШПВ СПВ

Тип месторождения скальные, коры вы- скальные любые

ветривания

Морфологический тип руд штокверки, зоны, штокверки, зоны, жилы пологозалегающие и крутопадаю-

пласты щие пласты

Морфология тел простая простая и сложная простая, сложная и весьма сложная

Состояние массива зоны дробления зоны дробления зоны дробления, дисперсные среды

Глубина, м от 0 до 200 от 50-60 до 500 от 20-30 до 700-1200

Мощность тел, м От 5-10 до 20-30 любые мощные и средней мощности

Обводкенность, м3/час 200-500 100-300 Полностью обводненные

Коэффициенты фильтрации любые 0,5-5,0 м/сут и выше 0,5-20 м/сут

Температура, град. От +4 до +50 От +4 до +40 От +4 до +80

Содержание сульфидов, % До 5 До 2 До 5-10

Содержание глин, % 5-15 3-5 20

Содержание оксидов и суль-

фидов, %: мышьяка, 0,2-1 0,2-0,5 1-2

сурьмы 0,2-1 0,2-0,5 1-3

Содержание органики, % 1-5 1-3 5-7

В результате контакта на поверхности куска появляется слой новообразований толщиной Ь =Дх, ґ), со скоростью:

дщ , , є

------— к -к • 5- —, (9)

дґ с * У

где т - масса новообразования, кг; кс - стехиометрический коэффициент; к* - коэффициент внутренней диффузии; 5 - площадь куска, м2.

К этому времени передача раствора практически прекращается, а основную роль играют диффузионные процессы через слой новообразований толщиной: дЬ кс , є3

V (10)

дґ у Ь

где у плотность новообразования.

Параметры извлечения в заключительной стадии кучного выщелачивания зависят от скорости вскрытия

новых реакционных площадей. Извлечение металлов из внутренних участков:

дт.

дt

= кS' -f - ( S1 - S2 )

b

(11)

Для отработки плывунных частей месторождений с низким содержанием металлов комбинированная технология СГД - К В является единственно возможной. Регулируя размеры минеральных частиц в механо-физических процессах СГД можно управлять физикохимическими процессами выщелачивания.

Геотехнологии классифицируются по условиям применимости (таблица).

Специальные способы добычи в ближайшем будущем могут компенсировать обостряющийся дефицит минеральных ресурсов в связи с истощением запасов, пригодных для извлечения традиционными технологиями.

1 Бубнов В.К., Голик В.И., Капканщиков A.M. и др. Актуальные вопросы добычи цветных, редких и благородных металлов. Акмола, 1995. 601 с.

2. Воробьев А.Е., Голик В.И., Лобанов Д.П. Приоритетные пути раз-

вития горнодобывающего и перерабатывающего комплекса Северо- Кавказского региона. Владикавказ; Рухс; 1998,358 с.

3. Голик В.И.; Алборов И. Д. Охрана окружающей среды утилизацией отходов горного производства. - М.: Не-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

дра, 1995 г.

4. Голик В.И., Пагиев К.Х. Энергосберегающие технологии при добыче руд. Владикавказ; Терек; 1995 г.; с. 372.

5. Голик В.И., Пагиев КХ., Алборов И.Д., и др. Теория и практика до-

бычи и переработки руд. Владикавказ, Терек, 1997, 498 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

ш

о

Цидаев Б. С. - инженер, Северо-Кавказский государственный технологический университет.

Голик Владимир Иванович - профессор, доктор технических наук, Северо-Кавказский государственный технологический университет.

Воробьев Александр Егорович - профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет.

Гуриев Г.Т.- доцент, кандидат технических наук, Северо-Кавказский государственный технологический университет.

Сыса А.А. - инженер, Северо-Кавказский государственный технологический университет.