CC BY
37
457
_________________________________ © Ю.А. Мамаев, В.С. Литвинцев,
В.В. Нечаев, А.М. Пуляевский,
В.С. Шаповалов, 2005
УДК 622. 271. 4 (571.56)
Ю.А. Мамаев, В. С. Литвинцев, В.В. Нечаев,
А.М. Пуляевский, В.С. Шаповалов
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ РОССЫПНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Добыча золота из геогенных россыпей в последние годы существенно снижается, прирост запасов недостаточен не только для наращивания добычи металла, но даже для удержания производства золота на современном уровне. Важным и значительным ресурсом россыпного золота являются техногенные месторождения в виде породных, гале-эфельных отвалов, водоотстойников и хвостохранилищ.
Начиная с 2001 года нами активно выполнялись исследования, направленные на решение фундаментальной проблемы освоения недр Земли, связанной с проведением комплексных теоретических и экспериментальных исследований закономерностей подготовки и переработки продуктивной горной массы полезного ископаемого, структурного преобразования вещественного и фазового состава минерального сырья аллювиальных техногенных месторождений в условиях комбинированных воздействий природных и антропогенных процессов.
Выполнен первый этап исследований обоснования гипотезы миграции свободных частиц золота в приплотиковую область месторождения воздействием на аллювиальную горную массу природных и антропогенных процессов
При решении данной проблемы наиболее успешно развивается новое фундаментальное научное направление - формирование в природных условиях обогащенного пласта полезного ископаемого техногенного россыпного месторождения путем воздействия на минеральную горную массу природных и антро-
Миграция ценных компонентов по слоям 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Номер 2 слоя в 3 образце 4 аллюви- 5
альных 6 горных 7 пород 9 10
^ Располжение ценных копонентов до циклов П-П, % ^ Миграция ценных компонентов, эксперимент 1, % П Миграция ценных компонентов, эксперимент 2, %
Рис. 1. Динамика процесса миграции ценных компонентов образце аллювиальных пород под воздействием циклов проморозки-протаивания
погенных процессов. К таким процессам относим: воздействие безнапорных водных потоков на свободные частицы ценных компонентов в отвальных комплексах техногенных месторождений; криогенные процессы, способствующие дезинтеграции вмещающих пород и миграции ценных компонентов большой плотности; колебания пород месторождения под влиянием многократно повторяющихся природных сейсмических волн небольшой мощности или вызываемых искусственно. Эффективность указанных процессов определяется их комплексным воздействием, а также характером распределения ценных компонентов в структурах техногенных комплексов и их параметрами: размером и плотностью частиц, их формой, местоположением и степенью свободы относительно частиц вмещающих пород. Экспериментальные исследования влияния криогенных процессов убедительно подтвердили факт миграции ценных компонентов большой плотности под влиянием циклов проморозки-протаивания.
На рис. 1 показан график зависимости миграции частиц золота (в %), размещенных первоначально в верхнем и среднем по высоте слоях образца аллювиальной горной массы, при воздействии циклов П-П.
Скорость миграции фракций золота в результате циклов П-П находится в пределах от 1,6 до 0,3 мм/сут. (для частиц золота размером 2,5 мм. Для более мелких фракций скорость миграции существенно увеличивается). Эти данные коррелируют с результатами исследований влияния криогенных процессов на миграцию ценных компонентов, но в условиях геогенных месторождений, выполненных другими авторами (д.г-м.н. Шумилов Ю.В. и др.).
В техногенных россыпных месторождениях разделение (миграция) частиц полезного компонента в водно-аллю-виальной среде происходит в условиях, когда основным является процесс сегрегации, при этом силы взаимодействия между частицами преобладают над гидродинамическими. Эффективность сегрегационных процессов увеличивается при появлении дополнительных возмущающих сил переменного направления (колебания среды во время отсадки, колебания концентрационного стола, виброшлюза и т.п.). В природных условиях одним из источников колебаний горной массы обводненных аллювиальных техногенных россыпей могут быть сейсмические проявления небольшой мощности. Дальневосточный регион является частью Тихоокеанского подвижного пояса, не долю которого приходится от 80 до 90 % всех землетрясений, происходящих на Земле. Сейсмические колебания небольших энергетических классов (магнитуда менее 3) происходят в количестве от 100 тысяч до 1 миллиона в год (по данным В.А. Абрамов и
В.А. Абрамова). На влияние сейсмических проявлений при формировании природных россыпей указывали член-корр. РАН А.П. Сорокин, д.т.н. А.В. Жуков и др. исследователи. Анализ общих характеристик и закономерностей процессов, происходящих при землетрясениях, необходимы нам для обоснования весьма важного вывода о том, что повторяемость землетрясений небольших энергетических классов на территории Дальневосточного региона весьма высока. Это позволяет учитывать их в технологическом плане, когда природные процессы действуют как некоторые технологические операции, способствующие более рациональному освоению месторождений полезных ископаемых, в том числе и техногенного типа. Параметры сейсмических колебаний небольшой мощности (по данным Дж. А. Эйби) примерно совпадают с параметрами колебаний аллювиальных горных пород от воздействия взрывных работ, причем они мало зависят от массы ВВ, но определяются составом пород, интенсивностью замедления (Козы-
а) Вид сверху Датчики
Размещения ценного компонента Аллювиальная горная масса
5 28
б) Схема размещения датчиков
Рис. 2. Размещение ценных компонентов и датчиков в горной массе первой экспериментальной установки
рев С.А., Запорожец В.Ю., Зерщиков С.Г.). В качестве теоретической основы исследований миграции частиц ценных компонентов в обводненной аллювиальной среде под действием виброколебаний нами обоснован показатель "вибрационная крупность" минерала, разработана математическая модель вычисления этого показателя, характеризующего, по аналогии с "гидравлической крупностью”, скорость вертикального перемещения частиц, создана программа вычислений на ПЭВМ (язык программирования Т-Паскаль).
Анализ выполненных расчетов показывает, что крупные частицы золота (1-3 мм) имеют значение виброгидравлической крупности в условиях сегрегации в 4-13 раз меньше значения гидравлической крупности. Значение этого показателя для
>к
о
я
Оч
о
и 2
со о
о
о
ч о
о о
сЗ к Й 2
8
ю
£
и
Усредненное количество ценных компонентов в слоях горной массы после завершения эксперимента, %
«
о
к
Л
о
и
5
о
ч
к
ю
ч
и
Рис. 3. Графическое представление динамики процесса миграции ценных компонентов в водной среде под воздействием динамических колебаний
частиц золота диаметром 0,05 мм отличается от величин гидравлической крупности этого же класса всего в 1,04-1,3 раза. Это свидетельствует о том, что миграционная способность мелких частиц золота зависит от энергии колебательных процессов в значи-
тельно большей степени, чем крупных частиц. Этот вывод важен, поскольку наибольшую долю золота в техногенных россыпях составляют мелкие классы.
В 2001-2002 годах выполнены серии экспериментов на двух установках по исследованию влияния периодических колебаний (частоты -100, 52 и 28 Гц) на показатели скорости миграции ценных компонентов большой плотности в обводненной аллювиальной среде. Размещение ценных компонентов и датчиков в горной массе первой экспериментальной установки показано на рис. 2, а, б. Наиболее интересные результаты показаны на рис. 3. Ценные компоненты мигрировали за время эксперимента (примерно 21 ч) на глубину до 20 см.
На рис. 3 видно, что наиболее эффективно миграция частиц ценного компонента происходила при частоте колебаний 28 Гц.
Исследования были продолжены на второй экспериментальной установке, которая создавала одиночные микросейсмические удары (рис. 4). В выбранном плотном грунте подготовлена канава размерами: длина - 2 м, ширина 0,5 м и глубина 0,5 м, в которую затем была заложена исследуемая порода определенного гранулометрического состава ( -2,5 + 1,0 -20 %, -1,0 + 0,4 - 50 %, - 0,4 - 30 %) и в трех местах размещался ценный компонент заданной фракционной крупности (см. таблицу). Для создания требуемой обводненности породы канава по всей внутренней поверхности предварительно выстилалась гидроизолирующим материалом и заливалась водой. Для компенсации созданной утечки воды в процессе экспериментов осуществлялся ее периодический долив.
Груз массой 50 кг периодически поднимался на высоту 1 м и после высвобождения от захватов происходило его свободное падение и последующее соударение с утрамбованной зоной грунта, отстоящей от исследуемого участка породы на расстоянии 0,3 м. В породе, таким образом, создавались проходящие акустические волны, в первом приближении имитирующие естественные микро-сейсмические колебания.
Для обнаружения этих колебаний в исследуемую породу устанавливался звукоприемник, в качестве которого использовался гидрофон. В водонаполненных средах гидрофон работает в условиях всестороннего сжатия, поэтому вырабатываемый им электрический сигнал пропорционален звуковому
Номер ряда закладки в породу ценного компонента Классы крупности ценного компонента, мм,
- 0, 25 + 0,1 - 0,5 + 0,25 - 0,5 + 1,6 Всего
Ситовой состав ценного компонента по классам крупности, % / мг
№ 1 (ближний к источнику колебаний) 20/200 30/300 50/500 100/1000
№ 2 20/200 30/300 50/500 100/1000
№ 3 20/200 30/300 50/500 100/1000
давлению. Далее сигнал усиливался и регистрировался в аналоговой форме на ленте самописца. Последующая обработка осциллограмм проводилась вручную.
Измерения проводились в полосе пропускания электронного тракта от 2 до 100 Гц. При этом, однако, были определенные сомнения в качестве работы гидрофона на очень низких частотах (ОНЧ), точнее, характера его частотной характеристики в области частот ниже 10 Гц. В данной работе использовался экспериментальный гидрофон, изготовленный по стандартной технологии и ранее успешно работавший в звуковом диапазоне, где электрические свойства его гидроизоляции (точнее сопротивление утечки герметика) не имели существенного значения. В области ОНЧ этот фактор становится решающим, т.к. определяет реальную чувствительность гидрофона в этой области частот. Ввиду невозможности прямых измерений этого сопротивления, его чувствительность в этом диапазоне могла быть определена только путем калибровки. Однако существующие методы калибровки гидрофонов достаточно трудоемкие и дорогостоящие и в рамках данной темы трудно реализуемые, поэтому эта операция не проводилась. Чувствительность гидрофона была определена расчетным путем, а частотная зависимость чувствительности в области ОНЧ осталась невыясненной.
Эксперименты проводились сериями по 150 ударов в каждой серии. Запись сигналов проводилась вначале и в конце каждой серии. Общее количество серий - 4, общее число ударов - 600. Закладка ценного компонента в породу проводилась после акустической приработки ударной установки (для обеспечения постоянства акустического контакта) и после создания требуемой степени обводненности породы. После такой
Вид А
Рис. 4. Схема экспериментальной установки: 1 - подъемно-спусковое устройство; 2 - канат; 3 - блок; 4 - вертикальная стойка; 5 - комплект грузов; 6 - основание.
подготовки наблюдалась почти полная повторяемость акустических импульсов, их форма и амплитуда мало менялись на протяжении экспериментов.
После выполнения эксперимента для анализа и оценки параметров процесса миграции ценных компонентов в нижележащие слои горной массы порода в месте размещения ценных компонентов была вынута слоями: первый слой глубиной 4 см был вынут по всей площади заложения ценных компонентов всех трех слоев; второй слой породы вынимался отдельно по каждому слою заложения ценного компонента на глубину еще 4 см.; третий слой породы вынимался также по каждому слою заложения ценных компонентов глубиной 7-8 см; и т.д. Таким образом, в верхнем слое породы, где производилась закладка ценного компонента, от всего его количества осталось 3 % в каждом слое. Наибольшая глубина миграции составила 6 см (мигрировало в среднем 82 % частиц металла). В то же время, около 4 % ценных компонентов достигли максимальной глубины.
На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработана технология формирования обогащенного пласта техногенной россыпи, технологическая схема которой показана на рис. 5 (А. Б, В). На фиг. А - план полигона техногенного россыпного месторождения, отработанного первично дражным способом, с горнотехническими сооружениями; на фиг. Б -схема миграции частиц ценного компонента в область формируемого приплотикового обогащенного пласта; на фиг. В - схема удаления обеднённой части объема породы с помощью канатного скрепера. Технология защищена патентом РФ.
На разрабатываемом полигоне 2, где размещены гале-эфельные отвалы 7, сооружают подпорную плотину 3 и проходят водозаводную канаву 4, через которую воду из водотока подают на полигон. Для создания безнапорного фильтрационного потока в гале-эфельных отвалах 7 полигона 2 и их полного затопления по падению россыпи сооружают плотину нижнего уровня воды 5 с водосливом 6. При безнапорном движении воды в теле техногенной россыпи возникают суффозионные процессы, поэтому при выносе мелких частиц горных пород создаются в отвальном комплексе пустоты, которые могут заполняться другими частицами породы или зернами
Б)
В) / / \
л/ _ІУ VI
Рис. 5. Технология формирования обогащенного пласта техногенной россыпи
ценных компонентов. В результате частицы ценного компонента в общей своей массе перемещаются в область обогащенного при-плотикового пласта 8, формируемого на плотике 9. Процессом миграции частиц ценных компонентов можно управлять, если послойно удалять обедненную породу, используя канатный скрепер 1. Канатный скрепер позволяет послойно удалять породу с затопленного полигона. В результате механического воздействия на породу улучшается дезинтеграция песков и процесс миграции ценных компонентов существенно ускоряется.
Предлагаемый способ характеризуется тем, что сокращается существенно (на 60-80 %) объем продуктивной горной массы, подаваемой на промывочную установку за счет формирования обогащенного приплотикового пласта. Удаление пустой породы с поверхности обогащенного пласта производится на борт полигона по кратчайшему расстоянию, поэтому общие затраты на разработку месторождения сокращаются
Повышению извлечения ценных компонентов на модульной промывочной установке будет способствовать достаточно высокая степень дезинтеграции пород при многолетнем воздействии безнапорных потоков воды, сейсмических явлений и криогенного фактора. Эти же условия способствуют снижению загрязняемой территории района горных работ за счет уменьшения промываемых объемов горной массы и уменьшения глинистых фракций в хвостах промывки.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------
Мамаев Ю.А. - доктор технических наук, профессор, директор, Литвинцев В.С. - доктор технических наук, заместитель директора, Нечаев В.В. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник,
Институт горного дела ДВО РАН
Пуляевский А.М. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Тихоокеанский государственный университет, г. Хабаровск, Шаповалов В.С. - кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник, СВКНИИ ДВО РАН.
© А.М. Пуляевский, 2005
