CC BY
56
© М.В. Рыльникова, Е.А. Горбатова, Е.А Емельяненко, 2011
УДК 622.775:622.343
М.В. Рыльникова, Е.А. Горбатова, Е.А. Емельяненко
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГИПЕРГЕННОГО
МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЯ В МОДЕЛЬНЫХ
СИСТЕМАХ КУЧНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ
ОТХОДОВ МЕДНО-КОЛЧЕДАННЫХ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Проведены исследования по определению закономерностей техногенных процессов вторичного минералообразования в модельных системах кучного выщелачивания техногенных отходов Бурибаевского медно-колчеданного месторождения.
Ключевые слова: выщелачивание, окомкованные хвосты, геологический процесс, экзогенная геосистема, кварц, пирит.
¥~>ыщелачивание техногенных от-
-Ш.9 ходов медно-колчеданных месторождений в модельных системах кучного выщелачивания представляет собой геологический процесс, включающий современные геохимические и геодинамические изменения, приводящие к формированию определенного минерального фона, где самопроизвольно происходят процессы техногенного минералообразования. Результатами таких процессов является концентрация цветных и благородных металлов на геохимических барьерах.
Целью исследований являлось определение закономерностей техногенных процессов вторичного минералообразо-вания в модельных системах кучного выщелачивания техногенных отходов Бурибаевского медно-колчеданного месторождения.
Характеристика техногенных отходов. Текущие хвосты обогащения колчеданных руд Бурибайского ГОКа относятся к группе мелкозернистых техногенных песков. Сумма сульфидов в техногенных образованиях колеблется от 65 % до 85 %. Из них 90 % приходится
на долю пирита, 10 % — сфалерита и халькопирита.
Сфалерит и халькопирит встречаются в виде тонких взаимных прорастаний и эмульсионной вкрапленности в зернах пирита. Отмечены единичные зерна халькопирита и сфалерита. Нерудная фракция сложена зернами неправильной формы кварца.
Учитывая рыхлое состояние хвостов обогащения и низкий коэффициент фильтрации, хвосты окомковывались с использованием извести как связующие для получения прочных пористых окатышей.
Окомкованные хвосты укладывались послойно в штабель, тем самым, образуя техногенное месторождение с заданными параметрами массива — размерами, геомеханическими характеристиками, пористостью, коэффициентом миграции, содержанием полезных и ценных компонентов (рис. 1).
Геохимические особенности техногенного массива. Концентрация халько-фильных элементов — меди, цинка, кадмия, серы, сравнима с количеством металлов, извлекаемых с промышлен-
ными рудами; равномерное распределение полезных и ценных компонентов в массиве.
Данная геохимическая система является хорошо аэрируемой с периодически притопляемыми участками, связанной потоками вещества и энергии с экзогенными геосистемами, поэтому основными гипергенными процессами минера-лообразования являются: зоны окисления, коры выветривания и техногенез
[3].
Для всех видов гипергенеза, протекающих в техногенном массиве, характерны окислительно-восстановительные и коррозионно-гидролизные механизмы деструкции минералов, осуществляющиеся в р-Т — параметрах среды. Границы между ними приходятся на сравнительно незначительные изменения этих параметров, в основном связанных с типами исходной минерализации, фазовыми превращениями воды, более заметной ро-
лью климатической сезонности протекания процессов, а также с вмешательством в среду техники.
Во всех случаях массообмен ассоциируется с гидролизом, окислительными и восстановительными реакциями, экстракцией и сорбцией вещества, растворением, обменом и высаждением минеральных новообразований. Энергообмен отвечает высокой роли солнечной радиации, эффективным экзотермическим реакциям деструкции вещества и интенсивной энергетике технологического воздействия на среду со стороны общества.
Геохимическая связь «сульфидная залежь — экзогенные геосистемы» осуществляется через комплекс природных и техногенных геохимических барьеров, которые последовательно снижают содержание элементов в массиве [1, 2]. К ним относятся: кислородная граница (окислительно-восстановительный, кислородно-щелочной, сульфатный и суль-
фидный барьеры), коры выветривания (механический инфильтрационный, сорбционный, испарительный барьеры), растворы (действующие как отстойники и физико-химические и биохимические поглотители). После процессов выщелачивания содержание халькофильных элементов понижается до уровня фоновых концентраций в экзогенных геосистемах.
Методика эксперемента. Процесс выщелачивания хвостов обогащения проводится сернокислыми растворами в инфильтрационно-капиллярном гидродинамическом режиме при чередовании циклов закисления, рабочего режима и выстаивания (аэрации) массива.
В результате взаимодействия сернокислотных растворов с сульфидами образуются сульфаты как промежуточная минеральная фаза в ряде «сульфиды-сульфаты-гидроокислы» по реакции (рис. 2).
1
Ме + Н 2 Э04 +102 = МеЭ04 + Н 2 О. (1)
Обсуждение результатов. Штабель представляет собой сложно построенный геохимический фильтр, включающий в себя последовательно действующие испарительный, окислительно-
окислительный, кислотно-щелочной геохимические барьеры. Полициклическое отложение, мобилизация и перенос элементов в сульфатной форме через комплекс этих геохимических барьеров обеспечивают незаметное, но постоянное разделение железа, меди и цинка.
Распределение температуры в техногенном массиве неравномерное. Внешние зоны прогреты больше, чем внутренние. Во внешних зонах происходит испарение и осаждение солей — сульфатов на испарительном барьере. Влага, поступающая во внутренние зоны техногенного массива, конденсируется,
формируя инфильтрационные сернокислотные потоки.
В процессе закисления при перенасыщении халькофилы осаждаются в виде твердых фаз — гидросульфатов на испарительном барьере, аналогичных мелантериту, но с переменным соотношением четырех главных металлов — железа, меди, цинка. Гидросульфаты накапливаются на поверхности штабеля с образованием налетов, выцветов, корочек (рис. 2).
При промывке и выпадении атмосферных осадков образуются инфиль-трационные сернокислотные потоки, растворяющие сульфаты с формированием продуктивных растворов. Они транспортируют металлы в ионной форме в основания штабеля, где происходит сбор растворов.
Инфильтрационные сернокислотные потоки могут частично задерживаться в верхнем уплотненном горизонте штабеля, если он богат мелкоземом. Но большая часть их питает нисходящие ин-фильтрационные потоки, которые, насыщаясь солями, формируют зону сульфатной минерализации в виде брекчий с сульфатным цементом и отложением солей в крупных полостях на окислительно-восстановительном и кислотно-щелочном барьерах.
Во внутренних частях техногенного массива наблюдается накопление сульфатов, поскольку в летнее время сохраняются относительно низкие температуры, что приводит к неизбежному осаждению сульфатов, так как растворимость их с понижением температуры от 25 до 50 С уменьшается с 25 до 15 % FeSO4. Следовательно, нисходящий поток неизбежно осаждает сульфаты в порах и пустотах насыпных грунтов.
Теоретические обоснования последовательности окисления сульфидов подтверждены теорией эффективных заря-
дов минералов весьма основательно представленной А. С. Марфуниным (1974) и позднее В. С. Урусовым (1987), а вполне доступный для их определения остовно-электронным методом разработанным и модифицированным В. В. Зуевым (1990, 1995) [3].
Последовательность окисления пирита отражена в табл. 2, где показан постепенный переход пирита в купоросы, основные сульфаты и окислы-гидроокислы.
Образование купоросных минералов, отличающихся большим разнообразием близких по химическому составу видов, обычно связывается с величиной рН и концентрацией растворов, а также с сезонны-
ми температурными колебаниями среды. Используя данные табл. 3, можно говорить об изменении окислительного потенциала растворов, регулирующего сульфатооб-разование: увеличение окислительного потенциала приводит к устойчивости более обводненных купоросных минералов, содержащих катион с более высоким эффективным зарядом. Кроме того, высокозарядные «купоросы» обладают повышенной окисленностью, а, следовательно, по сравнению с низкозарядными и некоторой относительной устойчивостью в биоминеральных взаимодействиях.
Эффективные заряды атомов минералов
Минералы Эффективные Минералы Эффективные
заряды атомов заряды атомов
Fe 8 Fe
Оксиды — гидроксиды
Гидрогётит FeO ОН +2,36 — -1,10 0,55
Н2О +2,35 -1,35 0,67
Гётит FeO ОН
Основные сульфаты
Ярозит +2,30 +3,15 -1,15 0,58
Юе3^О4]2(ОН)6 +2,45 +3,30 -1,00 0,50
БатлеритР eSO4OH2H2O
Сульфаты (купоросы)
Ссомольнокит РeSO4 +1,75 +1,85 -0,82 0,41
Н2О +1,80 +1,75 -0,68 0,34
Сидеротил РeSO4 5Н2О Мелантерит РeSO4 7Н2О +1,81 +1,72 -0,66 0,33
Сульфиды
Пирит РeS2 +0,68 -0,34 — —
Таблица 3
Эффективные заряды атомов (катионов) в безводных и водных сульфатах
Сульфат и координация М Эффек тивные заряды катионов (М)
М2+, Mg2+ Zn2+, Си2+, Со2+ Fe2+ Мп2+
М304(60)* +1,69 +1,72 +1,73 +1,76
М304Н20(40+2Н20)** +1,70 +1,74 +1,75 +1,78
MSO44H2O(20+4H2O) +1,75 +1,78 +1,79 +1,82
MSO46H2O(6H2O) +1,77 +1,79 +1,81 +1,83
MSO4 (> 6)Н2О(6Н2О) +1,77 +1,79 +1,81 +1,83
Выпадение купоросов из сернокислотного раствора зональное (рис. 3). Вокруг направления фильтрации раствора сначала отлагаются купоросы зеленого цвета, затем купоросы желтого цвета и белый сульфат.
Анализируя вышесказанное, на поверхности штабеля в процессе закисле-ния при перенасыщении халькофилы осаждаются в виде твердых фаз — гидросульфатов на испарительном барьере,
аналогичных мелантериту, но с переменным соотношением четырех главных металлов — железа, меди, цинка.
При промывке и выпадении атмосферных осадков образуются инфиль-трационные сернокислотные потоки, растворяющие сульфаты с формированием продуктивных растворов. Они транспортируют металлы в ионной форме в основания штабеля, где происходит сбор растворов.
В верхнем уплотненном горизонте и во внутренних частях штабеля на окислительно-восстановительном и кислотно-щелочном барьерах формируется зона сульфатной минерализации в виде брекчий с сульфатным цементом и отложением солей в крупных полостях.
Первичными продуктами окисления, которые мы наблюдаем в процессе выщелачивания, пирита являются купоро-сы типа ссомольнокит-мелантерит
1. Емлин Э. Ф. Техногенез колчеданных месторождений Урала. — Свердловск: Издательство Уралальского университета, 1991. — 256 с.
FeSO4 Н20 — FeSO4 7Н20, образуя корочки, землистые и тонкозернистые налеты. Цвет минералов данного типа изменяется от светло-зеленоватого до изумруднозеленого.
Частичное разложение карбонатной связки окатышей приводит к формированию сульфата кальция — гипса. Последний выступает в роле природного цемента не изменяя фильтрационные характеристики техногенного массива.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Перельман А.И. Геохимия. М.: Высш. школа, 1979. — 422 с.
3. Яхонтова Л.К., Грудев А.П. Минералогия окисленных руд. — М: Недра, 1987.—196 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ----------------------------------------------------------------------
Рыльникова М.В. — ИПКОН РАН г. Москва; info@ipkonran.ru
Горбатова Е.А., Емельяненко Е.А. — МГТУ им. Г.И. Носова» г. Магнитогорск, mgtu@magtu.ru
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
БАРАНОВ Александр Владимирович Обоснование режимов стадийной отработки очистных блоков системами с самообрушением руды 25.00.22 к.т.н.
