Разработка комбинированной геотехнологии освоения месторождений медно-колчеданных руд с комплексным использованием отходов их переработки

Длительное освоение медно-колчеданных месторождений Урала традиционными способами добычи привело к ощутимому истощению балансовых запасов и необходимости вовлечения в эксплуатацию более бедных руд, с увеличением объемов добычи, что неизбежно сопровождается ростом отходов их переработки. Так, при освоении подземным способом медно-колчеданных руд месторождений Подольской группы, будет выдано на поверхность более чем 200 млн. т руды, обогащение которой приведет к образованию около 180 млн. т тонкодисперсных отходов. Их размещение на дневной поверхности значительно ухудшит экологическую обстановку Республики Башкортостан и пограничных районов ввиду выноса пыли, сброса и миграции загрязненных стоков в природные водоемы.

В современных условиях качественно новой и принципиальной является идея замены существующего подхода к складированию отходов в хвостохранилищах на их утилизацию в подземном пространстве. Однако использованию текущих хвостов обогащения в качестве закладки препятствует присутствие в них полезных компонентов (меди 0,2−0,4%, цинка 0,8−1,5% и др.), эффективное извлечение которых возможно только физико-химическими методами.

Поэтому разработка технологии извлечения металлов из текущих хвостов обогащения методами выщелачивания на поверхности и в подземных условиях с последующим использованием отходов при закладке подземных камер является актуальной научно-практической задачей, решение которой позволит повысить полноту и комплексность освоения месторождений и отказаться от строительства и использования хвостохранилищ.

Целью работы является повышение эффективности освоения месторождений медно-колчеданных руд подземным способом на основе использования физико-химической геотехнологии для доизвлечения металлов из отходов переработки руд с их последующей утилизацией при закладке выработанного пространства.

Идея работы заключается в том, что эффективность освоения медно-колчеданных месторождений подземным способом может быть существенно повышена за счет формирования на поверхности и в выработанном пространстве из текущих хвостов обогащения добываемых руд малых техногенных месторождений с заданными характеристиками, позволяющими доизвлекать полезные компоненты методами кучного и подземного выщелачивания, с последующей утилизацией отходов при закладке выработанного пространства.

Задачи исследований: -научно-методическое обоснование и разработка комбинированной геотехнологии на основе сочетания подземной добычи медно-колчеданных руд и выщелачивания полезных компонентов из отходов их переработки на поверхности и в подземных условиях;

— исследование закономерностей формирования технологических свойств продуктов совместной переработки текущих хвостов обогащения медно-цинковых руд и шлаков медной плавки;

— изыскание рациональных путей утилизации отходов переработки техногенных месторождений;

— обоснование параметров технологии и режимов выщелачивания меди из окомкованного медьсодержащего сырья в увязке с графиком отработки подземных первичных и вторичных очистных камер;

— оценка экономической эффективности комбинированной геотехнологии, предусматривающей формирование и комплексное освоение техногенных массивов из продуктов совместной переработки хвостов обогащения медно-колчеданных руд и свежемолотых шлаков медной плавки с использованием отходов при закладке выработанного подземного пространства.

В качестве объекта исследований была выбрана технология комплексного освоения месторождений медно-колчеданных руд Урала и отходов их переработки.

В качестве методологии исследований заложен принцип комплексного освоения недр комбинированной геотехнологией, предусматривающей технологическое сочетание подземной добычи руд и физико-химических процессов переработки отходов. При решении поставленных задач использовался комплексный метод, включающий обобщение и анализ отечественного и зарубежного опыта утилизации отходов горнометаллургического комплекса, отбор представительных проб хвостов и шлака, определение физико-механических свойств сырья, минералогические исследования, рентгеноструктурный, атомно-абсорбционный и пробирный методы анализа, лабораторный эксперимент и технико-экономическую оценку.

Положения, представленные к защите:

1. Эффективность подземной разработки медно-колчеданных месторождений может быть существенно повышена при формировании на поверхности и в выработанном пространстве малых техногенных месторождений на основе использования низкотемпературного окомкования текущих хвостов обогащения и свежемолотых металлургических шлаков, позволяющих доизвлекать полезные компоненты методами выщелачивания с последующей утилизацией отходов при закладке выработанного пространства.

2. Совместное окомкование текущих хвостов обогащения медно-цинковых руд и свежемолотого медеплавильного шлака крупностью -0,044 мм в соотношении: 95 мас.% - хвосты обогащения, 5 мас.% - шлак, вода обеспечивает формирование из тонкодисперсных отходов прочных, пористых, устойчивых в кислых средах окатышей, пригодных для выщелачивания на поверхности и под землей.

3. Динамика механических свойств окатышей в процессе хранения характеризуется снижением по экспоненциальной зависимости пластичности (в течение первых трех суток на 30%) и нарастанием прочности по линейной зависимости. Поэтому для сохранения структуры гранул укладку свежеприготовленных окатышей в кучу на поверхности необходимо производить в течение первых трех суток, пока они обладают максимальной пластичностью, а заполнение окатышами подземных камер целесообразно проводить после набора ими требуемой прочности в течение 90 суток.

4. Подземное выщелачивание окатышей, размещаемых в выработанном пространстве вторичных камер, целесообразно производить в течение всего года, а кучное выщелачивание на поверхности — в период положительных температур, при этом объемы отходов кучного выщелачивания должны обеспечить годовую потребность закладочного комплекса в заполнителе для закладки первичных камер, днища и дозакладки пустот вторичных камер.

Научная новизна работы заключается в обосновании технологии комплексного освоения месторождений медно-колчеданных руд, предусматривающей сочетание подземной добычи руд с выщелачиванием на поверхности и в подземных условиях окомкованных текущих хвостов обогащения с использованием отходов при закладке выработанного пространства, а также в разработке методики формирования техногенных массивов, обосновании параметров выщелачивания из них полезных компонентов и утилизации отходов для закладки выработанного пространства.

Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечивается надежностью и представительностью исходных данных, сопоставимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, обработанных методами математической статистики, использованием современного оборудования и апробированных методик.

Практическая значимость работы состоит в разработке технологических схем освоения техногенных месторождений, представленных тонкодисперсными текущими отходами обогащения и свежемолотыми медеплавильными шлаками, в комплексе с подземной разработкой медно-колчеданных руд камерными системами с закладкойобосновании параметров технологии и режимов технологических процессов, позволяющих вовлечь отходы производства в эффективную эксплуатацию, восполнить минерально-сырьевую базу горнодобывающих предприятий за счет дополнительного извлечения металлов, повысить полноту и экологичность освоения недр путем использования в закладке отходов производства и отказа от строительства и эксплуатации хвостохранилищ.

Реализация работы:

Основные положения диссертационной работы приняты к использованию при. проектировании комплексного освоения медно-колчеданных месторождений Подольской группы Республики Башкортостан.

Апробация работы:

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на I и II Международных научно-практических конференциях «Комбинированная геотехнология: проектирование и геомеханические основы» (Магнитогорск, 2001 г.) и «Комбинированная геотехнология: развитие способов добычи и безопасность горных работ» (Магнитогорск, Сибай, Аркаим, 2003 г.) — на Международном совещании «Развитие идей И. Н. Плаксина в области обогащения полезных ископаемых и гидрометаллургии» (Чита, 2002) — на Международных научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2002, 2003, 2004 гг.) — на I Международной научно-практической конференции «Проблемы открытой разработки недр и обогащения полезных ископаемых» (Республика Казахстан, Житикара, 2003 г.) — на VIII Международном конгрессе обогатителей стран СНГ (Москва, 2003 г.) — на Международной научно-практической конференции «Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья благородных металлов» (Екатеринбург, 2002 г.) — на Всероссийской конференции «Экологические проблемы промышленных зон Урала» (Екатеринбург, 2003 г.) — на Международной конференции «Молодежь и наука: третье тысячелетие» (Красноярск, 2002 г.) — на ежегодных научно-технических конференциях МГТУ им. Г. И. Носова.

Публикации:

Результаты работы опубликованы в 8 печатных работах. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ-Урал, (грант № 01−05−96 415).

Объем и структура работы: ¦

Диссертация: состоит из. введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 128 наименований и содержит 155 стр., 45 рис., 32 табл. Автор выражает глубокую признательность научным сотрудникам отдела теории проектирования освоения недр ИПКОН РАН, факультета горных технологий и транспорта МГТУ им. Г. И. Носова и техническим специалистам ОАО «Башкирский медно-серный комбинат» за ценные советы и оказанную помощь в выполнении работы.

Выводы:

1. Разработана технологическая схема комплексного освоения месторождений медно-колчеданных руд с комплексным использованием отходов их переработки, в соответствии с которой разработка месторождения ведется камерными системами с закладкой выработанного пространства. В случае разработки 4 рудного тела месторождения Юбилейное запасы этажа делятся на блоки, длиной 40 метров и шириной 75 метров, которые разделены на камеры,, шириной по 15 метров. Высота этажа составляет в среднем 40 метров.

2. Выемка камерных запасов производится по традиционным схемам, обогащение руды осуществляется флотационным методом. Хвосты обогащения подвергаются обезвоживанию, фильтрат составляет оборот обогатительной фабрики, а кек фильтрации направляется на окомкование. В качестве вяжущего при окомковании используется гранулированный шлак, поставляемый из г. Баймак. Крупность сухого помола шлака составляет -0,044+0 мм. Свежеизмельченным шлак направляется на перемешивание с хвостами в пропорции: 95 мас.% хвосты обогащения, 5 мас.% шлак, вода и в барабанный окомкователь типа 3,6*10 м. Совместное окомкование в течение 7−10 минут обеспечивает формирование окатышей требуемых кондиций.

3. Свежеприготовленные окатыши системой конвейеров должны направляться в теплое время года на площадку для их кучного выщелачивания, в зимний период на склад хранения окатышей для выдержки в течение 90 суток. Высота отсыпки свежеприготовленных окатышей не должна превышать 3 метра.

4. Кучное выщелачивание осуществляется в штабелях 100*20*6 метров, полный цикл отработки каждого штабеля, включающий его формирование, выдержку до набора устойчивости в кислых средах, выщелачивание и рекультивацию составляет 105 суток. Подземное в камерах при их высоте 40 метров. Полный цикл отработки двух блоков, включающий выемку камерных запасов (12 мес) и выщелачивание во вторичных камерах составляет 16 мес. Извлечение меди при кучном выщелачивании составляет 70% за 60 суток, при подземном 90% за 100 суток. В качестве катализаторов процесса рекомендована добавка в раствор: для кучного выщелачивания карбамида, для подземного сульфата трехвалентного железа.

5. Для реализации подземного выщелачивания необходимо возводить упрочненное днище на основе отходов кучного выщелачивания и кислотостойкого цемента. Днище обуривается и образованные скважины служат для сбора продуктивного раствора. Орбшение осуществляется системой разбрызгивателей, установленных в заперемыченном пространстве вторичных камер в заездах вышележащего горизонта. Сбор растворов, их циркуляция до насыщения и выдача на поверхность осуществляется в участковом растворосборнике. После выщелачивания производится дозакладка вторичных камер с подачей закладочной смеси под кровлю, демонтаж систем орошения и перенос их на другие камеры выщелачивания.

6. Экономический эффект от реализации технологических рекомендаций определяется прибылью от реализации дополнительной товарной продукции, отсутствием хвостохранилищ и снижения экологических платежей, а также упрощением структуры закладочного комплекса и использованием отходов кучного выщелачивания для приготовления закладочной смеси.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации, являющейся законченной квалификационной работой, дано решение актуальной научно-практической задачи — разработана комбинированная геотехнология извлечения металлов из текущих хвостов обогащения методами выщелачивания на поверхности и в подземном пространстве с последующим использованием отходов при закладке подземных камер, имеющая существенное значение для комплексного освоения медно-колчеданных месторождений. Основные результаты приведенных исследований заключаются в следующем:

Разработана комбинированная геотехнология комплексного освоения руд медно-колчеданных месторождений с комплексным использованием отходов их переработки на основе доизвлечения полезных компонентов методами кучного и подземного выщелачивания с последующим использованием отходов при закладке выработанного пространства, отличающаяся высокой экологичностью и полнотой использования отходов производства — текущих хвостов обогащения, окомкованных со свежемолотыми медеплавильными шлаками, а также техногенных стоков и выработанного подземного пространства. При этом сквозное извлечение меди при камерных системах разработки с закладкой увеличивается до 95% и имеется возможность отказаться от строительства и эксплуатации хвостохранилищ.

2. Установлено, что в процессе хранения отходов обогащения в хвостохранилищах происходит природное выщелачивание металлов, в течение 35 лет содержание металлов в зоне аэрации законсервированного хранилища снизилось на 20−73%. Выщелоченные металлы мигрируют в окружающую среду, поэтому целесообразно их извлечение из текущих хвостов обогащения.

3. Проведена классификация методов интенсификации процесса выщелачивания, где в качестве основного классификационного признака использован способ интенсификации процессов, и доказано, что для выщелачивания металлов из текущих отходов обогащения целесообразно применять физико-технические методы интенсификации с целью обеспечения доступа растворителя в массив шламистого материала. Экспериментально.

142 установлено, что совместное окомкование текущих хвостов обогащения медно-цинковых руд и свежемолотого до тонины 100% класса -0,044+0 мм медеплавильного шлака в соотношении 95 мае. % - продукты обогащения, 5 мае. % - шлак, вода, в течение 7−10 минут, обеспечивает формирование из тонкодисперсных отходов прочных (асж до 1,25 МПа), пористых (КПОр =15%), устойчивых в кислых средах окатышей, пригодных для выщелачивания на поверхности и под землей.

4. Установлено, что динамика механических свойств окатышей характеризуется снижением по экспоненциальной зависимости пластичности, в течение первых трех суток на 30% (в течение 5 сут. в 1,25 раз, 10 сут. в 3 раза, 15 сут. в 4,5 раза) и нарастанием прочности по линейной зависимости (прочность увеличивается в течение первых 30 сут. в 9 раз, 60 сут. в 17 раз, 90 сут. в 25 раз). Поэтому для сохранения структуры гранул укладку свежеприготовленных окатышей в кучу необходимо проводить в течение первых трех суток, пока они обладают максимальной пластичностью, а заполнение окатышами подземных камер целесообразно проводить после набора ими требуемой прочности в течение 90 суток.

5. Доказано, что выщелачивание меди из массива окатанного материала целесообразно проводить в инфильтрационном режиме, при этом извлечение меди в раствор за 70 суток составляет 65% при коэффициентах фильтрации 22−25 м/сут и температуре окружающей среды 20 °C. Показателей извлечения меди из окатышей могут быть существенно повышены при использовании сульфата железа (III) (в 2,4 раза), органических оснований (карбамида в 1,13 раз, надсернокислого аммония в 1,25 раз).

6. Определены параметры массивов окатанного материала, формируемые на поверхности и в отработанном подземном пространстве. Доказано, что формирование массива на поверхности, для кучного выщелачивания целесообразно проводить конвейерным способом, высота, штабеля не должна превышать 6мпродолжительность выщелачивания меди модифицированными растворами серной кислоты в течение 60 суток обеспечит извлечение металла на 75%. Процесс кучного выщелачивания приурочен.

143 периоду положительных температур окружающей среды. Формирование и выщелачивание массива во вторичных камерах при высоте этажа 40 м целесообразно проводить течение всего года, извлечение меди при этом достигает 90% при продолжительности выщелачивания 100 сут.

7. Доказано, что твердеющая закладочная смесь, приготовленная на основе отходов выщелачивания дает широкий набор механических характеристик в различном возрасте твердения закладочного массива, что позволяет ее использовать для различных горно-технических условий разработки.

8. Экономическая эффективность внедрения комбинированной геотехнологии на месторождении Юбилейное Хайбуллинской горнорудной компании при годовой производительности подземного рудника 1 млн. т/год определяется увеличением годового дохода на 233,63 млн.р./год. Срок окупаемости дополнительных капитальных затрат в размере 265,61 млн.р. составляет 4 года, при эффективности капитальных вложений 19,04 р./р. Высокий экологический эффект производства в размере 50,86 млн.р./год обусловлен отсутствием хвостохранилищ и полной утилизацией отработанного сырья в подземном пространстве и строительстве.