Опыт и перспективы размещения глинисто-солевых шламов на солеотвалах калийных рудников

УДК 622.693.26

А.В. Шилов, М.И. Русаков

ОПЫТ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗМЕЩЕНИЯ ГЛИНИСТО-СОЛЕВЫХ ШЛАМОВ НА СОЛЕОТВАЛАХ КАЛИЙНЫХ РУДНИКОВ

При производстве калийных удобрений после переработки руды образуются твердые и жидкие отходы. Твердые отходы (солеотходы) представлены каменной солью и примесями сильвинита, ангидрита и глин. Жидкие отходы (шламы) представляют собой суспензию из раствора насыщенного солями NaCl и KCl и твердых частиц этих же солей и глинистых материалов. Шламы размещают, в основном, в специально подготовленных на земной поверхности емкостях — шламохранилищах. Также шламы размещают в выработанном пространстве рудников, как в специально подготовленных емкостях (подземные шламохранилища), так и путем добавления их в солеотходы, используемые для закладки отработанных камер. Важным стратегическим направлением производства калийных удобрений на ПАО «Уралкалий» является работа без строительства новых поверхностных шламохранилищ. В рамках реализации этого направления проведены опытные работы по размещению шлама при гидронамыве солеотходов на солеотвале, разработаны рекомендации по размещению шламов в специальных емкостях и траншеях, а также проведены испытания по возможному увеличению емкости шламохранилища с помощью фильтровальных мешков — геотубов. Существующие и перспективные технологии размещения шлама на солеотвалах ПАО «Уралкалий», включающие подмешивание шлама к солеотходам при гидронамыве солеотвала, размещение в емкости-траншеи, формируемые на солеотвале, и размещение обезвоженного на фильтр-прессе шлама на солеотвале, в сочетании с размещением шламов в выработанном пространстве рудников, позволят производить размещение шлама на действующих площадках рудоуправлений без строительства новых поверхностных шламохранилищ.

Ключевые слова: калийный рудник, солеотвал, глинисто-солевой шлам, солеотходы, гидронамыв, подмешивание, емкости-траншеи, высоконапорный насос, бульдозер, фильтр-пресс.

При производстве калийных удобрений после переработки руды образуются твердые и жидкие отходы. Твердые отходы (солеотходы) представлены в основном (90—95%) каменной солью с примесями сильвинита, ангидрита и глин. Содержание глины в солеотходах не превышает 1,0%.

Жидкие отходы (шламы) представляют собой суспензию из раствора насы-

DOI: 10.25018/0236-1493-2017-10-0-212-218

щенного солями NaCl и KCl и твердых частиц этих же солей и глинистых материалов. Содержание глин в твердых частицах шлама составляет более 25% [1, 2].

Солеотходы складируют в солеотвалы и используют в качестве закладочного материала.

Шламы размещают, в основном, в специально подготовленных на земной поверхности емкостях — шламохранили-

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 10. С. 212-218. © А.В. Шилов, М.И. Русаков. 2017.

щах. Также шламы размещают в рудниках, как в специально подготовленных камерах (подземные шламохранилища), так и путем добавления их в солеотхо-ды, используемые для закладки [3]. Для решения задачи по увеличению объемов размещения шламов в подземных выработках был разработан способ размещения шлама совместно с хлористым кальцием [4], являющимся отходом производства сульфатных удобрений.

Важным стратегическим направлением производства калийных удобрений на ПАО «Уралкалий» является работа без строительства новых поверхностных шламохранилищ. В рамках реализации этого направления под руководством Б.А. Борзаковского проведены опытные работы по размещению шлама при складировании солеотходов на солеотва-ле, а также испытания по возможному увеличению емкости шламохранилища с помощью фильтровальных мешков — геотубов [5].

Опытные работы по размещению шлама при складировании солеотходов на со-леотвале заключались в подмешивании шлама в солеотходы при гидронамыве и в подаче шлама в специально пройденные емкости на солеотвале.

Основным способом размещения шлама является подмешивание его в пульпу солеотходов при гидронамыве. Шлам на солеотвал подают по следующей схеме. Шламовую пульпу, откачиваемую с фабрики, подают в рассольный бак насосной станции гидронамыва. В этот же бак подают рассол из шламохранилища. Далее рассол со шламом с помощью насосов перекачивают на солеотвал в точку приготовления пульпы (место сброса солеотходов). Шлам подмешивают в пульпу гидронамыва в теплое время года при положительной температуре воздуха. Массу добавляемого шлама определяют исходя из того, чтобы содержание Н.О. в пульпе не превышало 2%.

В связи с тем, что круглосуточные положительные температуры держатся менее чем полгода, были проведены опытно-промышленные испытания на со-леотвале СКРУ-3 ПАО «Уралкалий» по размещению шлама при его подмешивании в гидрозакладочную пульпу в холодное время года (температура минус 6 °С).

Максимальное увеличение содержания шламовых частиц в намываемом массиве составило 1,43%. С учетом начального содержания Н.О. в солеотходах 0,7—1,0% общее содержание шламовых частиц составило 2,1—2,4%. Объем испытаний: масса намыва 37,1 тыс. т, из них шламовых частиц 245 т.

Дополнительным аргументом надежности гидронамыва солеотвала с содержанием шламовых частиц более 1,0% является 13-летний опыт гидронамыва БКПРУ-3 ПАО «Уралкалий», где содержание Н.О. в солеотходах 1,5—1,7% и двухлетний опыт гидронамыва на БКПРУ-2 ПАО «Уралкалий» (содержание Н.О. 2,1— 2,5%).

В целом результат опытно-промышленных испытаний размещения шлама положительный. В качестве негативных факторов следует отметить, что в нижней части опытного участка появлялся прудок рассола, в то время как при обычном намыве появление прудка рассола явление весьма редкое.

По результатам опытно-промышленных испытаний технология гидронамыва с подмешиванием шламов внедрена на солеотвале СКРУ-3 ПАО «Уралкалий».

В 2013 г. на солеотвале СКРУ-3 ПАО «Уралкалий» проведены опытно-промышленные испытания размещения шлама в мини-емкость. Емкость, представленную на рис. 1, формировали путем окон-туривания площади солеотвала, порядка 2000 м2, дамбами высотой около 2,5 м. Дамбы формировали из солеотходов, нагребаемых с поверхности солеотвала. Для увеличения емкости дно емкости

выполаживали. Емкость заполняли шламовой пульпой, направляемой в шла-мохранилище. Массовое отношение Ж:Т в шламовой пульпе составляло 10—12:1. Разовые подачи шламовой пульпы составляли от 350 до 1500 м3. Время фильтрации рассола составило около семи суток. Общая масса размещения твердых частиц шлама составила 980 т.

Через 20 дней после последней подачи шламовой пульпы произвели намыв солеотходов. Плотность осадка шлама перед намывом составила 1,72 т/м3. Во время намыва солеотходов выдавливания шлама из-за пригрузки его солеот-ходами не происходило.

После намыва слоя солеотходов толщиной 2 м проверили устойчивость намытого слоя под воздействием бульдозера. Испытания показали, что растрескивание слоя солеотходов под бульдозером наблюдалось при толщине слоя солеотходов 1,0 м. Под воздействием слоя солеотходов произошло уплотнение осадка шлама. Проба осадка шлама, отобранная через месяц после покрытия его солеотходами, при толщине слоя 1 м составила 1,78 т/м3.

Результаты опытно-промышленных испытаний размещения шлама в мини-емкость положительные. Область приме-

Рис. 1. Общий вид мини-емкости со шламом

нения этой технологии — солеотвалы с большой площадью гидронамыва, которая позволяет на одном участке формировать и заполнять мини-емкости, а на других производить гидронамыв. В настоящее время имеется только один солеотвал развитой площадью гидронамыва около 40 га — солеотвал на СКРУ-3 ПАО «Уралкалий».

Для солеотвалов на других рудоуправлениях ПАО «Уралкалий» может быть использована технология размещения шлама в траншеи [6], которые проходят на участках солеотвала, где завершены отвальные работы.

Технология размещения шлама в траншеи на солеотвале включает их формирование в теле солеотвала шириной

Рис. 2. Технологическая схема размещения шлама в емкостях-траншеях: 1 — сгуститель вод; 3 — поршневой насос; 4 — шламопровод; 5 — траншея, засыпанная солеотходами; 6 шея для приема шлама; 7 — траншея в проходке; 8 — зумпф; 9 — насос

; 2 — от— тран-

5—16 м и длиной 100—150 м в зависимости от выбора оборудования для их проходки, подачу шлама в траншею и засыпку заполненной шламом траншеи солью от проходки следующей траншеи. Подачу шлама выполняют после окончания проходки траншеи. Местоположение и количество точек подачи шлама определяют опытным путем. Проходку следующей траншеи начинают после образования в заполненной шламом траншее осадка шлама и фильтрации из нее рассола.

Технологическая схема размещения шлама на солеотвале в емкостях-траншеях приведена на рис. 2. Сгущенный шлам из сгустителя 1 по отводу 2 подают во всас высоконапорного насоса 3, по шламопроводу 4 шлам подают в траншею 6. После заполнения траншеи шламом и образования осадка плотностью не менее 1,7 т/м3 производят засыпку осадка солеотходами.

Возможные варианты проходки траншей для размещения шлама следующие:

• траншеи формируют с использованием бульдозера с рыхлителем и по-грузочно-доставочной машины;

• траншеи формируют с использованием бульдозера с рыхлителем и экскаватора;

• траншеи формируют с использованием комбайна и погрузочно-доставоч-ной машины.

В качестве примера на рис. 3 приведен цикл проходки и засыпки траншеи при использовании бульдозера.

В каждом из вариантов имеются как преимущества, так и недостатки перед другими вариантами.

Преимущества использования бульдозеров:

• возможность использования различного навесного оборудования для рыхления слежавшихся солеотходов при проходке траншей любых размеров;

• высокая маневренность.

Недостатки использования экскаваторов:

• ограниченная ширина траншеи по условию радиуса черпания и глубины копания;

• передвижение только по целику между траншеями.

Преимущества использования экскаваторов:

• минимальное время цикла, так как исключено передвижение из одной траншеи в другую для транспортировки соли.

Недостатки использования комбайна:

• остановки в работе при наличии инородных тел (дерева, железа) на соле-отвале;

• зависимость от стационарных источников питания.

Преимущества комбайновой проходки траншей следующие:

• меньшие эксплуатационные затраты. Затраты на обслуживание бульдозеров (ГСМ, дизельное топливо) превышают затраты на электроснабжение комбайна;

• выше производительность работ;

• большее использование сечения траншеи для заполнения ее шламом из-за одинаковой ширины траншеи по всему сечению.

Для максимального использования полезного объема емкостей и траншей, формируемых на солеотвале, в них не-

Рис. 3. Поперечный разрез по комплексу размещения шлама в траншеи

Предварительные данные о необходимом напоре насоса для транспортирования сгущенного шлама на солеотвал

Рудоуправление Необходимый напор, МПа

СКРУ-2 4,40

СКРУ-3 2,80

БКПРУ-2 3,67

БКПРУ-3 3,48

БКПРУ-4 4,20

обходимо подавать шлам высокой плотности. Для подачи шлама высокой плотности используют высоконапорные насосы (поршневые или винтовые). Выбор насоса производят по необходимому напору для транспортирования шлама на солеотвал. Так как в емкости на солеот-вале, даже в перспективе, невозможно будет размещать весь объем образующегося шлама, то часовая производительность насоса может быть меньше часового объема образования шлама.

Часовой объем образования шлама Учо, м3/ч, определяется по формуле:

у = Ор. • «ш -

уч.ш.с -Т- '

' ф ' рш.с.

где 0р — годовая масса обогащенной руды, т; qш — норма образования твердых частиц шлама при обогащении, т/т; Ж — массовое содержание жидкого в сгущенных шламах; Т — массовое содержание твердого в сгущенных шламах; Тф — годовой фонд времени работы фабрики, ч; ршс — средняя плотность сгущенного шлама, т/м3.

Длина шламопровода от фабрики до емкостей на солеотвале составляет более 1000 м, перепад отметок 50—130 м. Так как сгущенные шламы относятся к псевдопластичным жидкостям, то скорость их транспортирования обычно принимают от 0,5 до 1,0 м/с.

Внутренний диаметр шламопрово-да О, м, определяется по формуле:

О =

0Ч

2826 • V

где 0ч — часовая производительность насоса, м3/ч; V — скорость транспортирования, м/с.

Потери напора в шламопроводе АН, Па, определяются по формуле:

АН = I • I + АН • р

ш г > ш

где I — удельные потери напора, Па/м; 1ш — длина шламопровода, м; АНг — геодезический перепад отметок, м; ршл — плотность шламовой пульпы, т/м3.

Удельные потери напора I, Па/м, определяются по формуле:

(

I =

16-т

3 - О

о, + 32 • V • П

л

О

где тсд — статическое сопротивление сдвигу, Па; п — динамическая вязкость, Па  с.

В таблице приведены предварительные данные о необходимом напоре насоса для транспортирования сгущенного шлама на солеотвалы ПАО «Уралкалий», рассчитанные из условия, что удельные потери давления составляют 1100 Па/м при плотности транспортируемого шлама 1,475 т/м3.

Для окончательного выбора типа насоса рекомендуется проведение промышленных испытаний подачи сгущенного шлама.

Перспективным способом размещения шлама является способ с обезвоживанием шлама на фильтр-прессе и последующее его складирование на соле-отвале. По такой технологии плотность шлама, размещаемого на солеотвале, составляет более 1,7 т/м3.

Обезвоженный шлам — это шлам с таким содержанием рассола, при котором не происходит его выделения из массива. Такой шлам получают на фильтр-прессах.

Обезвоженный шлам складируют на специально подготовленных площадках солеотвала. Подготовку площадки производят, как и в случае размещения шламов повышенной плотности, путем образования емкостей или траншей. На подготовленную площадку автотранспортом доставляют обезвоженные шламы и складируют их в один слой. Высота слоя складируемого шлама должна быть меньше высоты обваловки на 1,0—1,5 м. После заполнения площадки производят намыв солеотходов. Высота слоя солеотходов, намытых над поверхностью шлама, не менее трех метров. Во время намыва солеотходов складирование шла-

ма производят на другой подготовленной площадке.

Следует отметить, что использование фильтр-пресса позволит увеличить извлечение KCl из руды, так как уменьшаются его потери с рассолом, содержащимся в шламах.

Существующие и перспективные технологии размещения шлама на солеотва-лах ПАО «Уралкалий», включающие подмешивание шлама к солеотходам при гидронамыве солеотвала, размещение в емкости-траншеи, формируемые на солеотвале, и размещение обезвоженного шлама на солеотвале, в сочетании с размещением шламов в выработанном пространстве рудников, позволят производить размещение шлама на действующих площадках рудоуправлений без строительства новых наземных шла-мохранилищ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Борзаковский Б.А., Папулов Л. М. Работы на Верхнекамских калийных рудниках: справочник. - М.: Недра, 1994. - 234 с.

2. Старков Л. И., Земсков А. Н., Кондрашев П. И. Развитие механизированной разработки калийных руд. — Пермь: Изд-во ПГТУ, 2007. — 522 с.

3. Борзаковский Б.А., Качурин Н. М., Русаков М. И. Развитие технологий размещения глинисто-солевого шлама в выработанном пространстве калийных рудников // Горный журнал. — 2016. — № 10. — С. 61—64.

4. Борзаковский Б.А., Генкин М.В., Русаков М.И. Евразийский патент 019914 МПК E21F15/00 Способ закладки шлама; заявитель и патентообладатель ОАО «Уральский научно-исследовательский и проектный институт галургии», ОАО «Объединенная химическая компания «УРАЛХИМ». — № 201200232; заявл. 01.03.2012; опубл. 30.07.2014. — Бюл. № 7. — 2 с.

5. Борзаковский Б. А., Русаков М. И., Шилов А. В. Перспективы использования геотубов для размещения глинисто-солевых шламов на калийных предприятиях // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 1. — С. 207—217.

6. Борзаковский Б.А., Русаков М.И., Шилов А.В. Евразийский патент 022728 МПК E21C41/26 , B09B1/00 Способ размещения шлама обогатительных фабрик на солеотвале; заявитель и патентообладатель ОАО «Уральский научно-исследовательский и проектный институт галургии». — № 201300155 ; заявл. 07.12.2012 ; опубл. 29.02.2016. — 3 с. пгш

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Шилов Александр Владимирович1 — ведущий инженер, e-mail: Aleksandr.Shilov@uralkali.com, Русаков Михаил Ильич1 — зав. лабораторией, e-mail: Mihail.Rusakov@uralkali.com, 1 АО «ВНИИ Галургии».

ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 10, pp. 212-218.

UDC 622.693.26

A.V. Shilov, M.I. Rusakov

EXPERIENCE AND PROSPECTS OF CLAYEY-SALT SLURRY PLACEMENT IN SALT DUMPS AT POTASSIUM MINES

Solid and liquid waste is formed by production of potash fertilizers after ore processing. Solid waste (salt waste) is presented by rock salt and elements of sylvinite, anhydrite and clays. Liquid waste (slurries) is a suspended mixture of the solution saturated by NaCl and KCl salts and of solid particles of the same salts and clay materials. Slurries are disposed mainly in specially constructed capacity slurry pits on ground surface. Also slurries are disposed in mined-out areas of mines, both in specially constructed capacities (underground slurry pits), and by addition to salt waste which is used for backfilling mined-out rooms. The important strategic approach for potash fertilizers production in «Uralkali» PJSC is operation without construction of new surface slurry pits. In framework of the approach implementation experimental works on slurry disposal by salt waste hydraulic deposition in salt tailings pile have been performed, recommendations on slurry disposal in special capacities and trenches have been developed, as well as tests on possible increase of slurry pit capacity using filtering bags — geocontainers have been carried-out. Actual and prospective processes of slurry disposal in salt tailings piles of «Uralkali» PJSC, which include slurry admixing to salt waste by hydraulic deposition of salt tailings pile, disposal in capacity trenches formed in salt tailings pile, and disposal of filter press dehydrated slurry in salt tailings pile, in combination with slurry disposal in mined-out areas of mines, will enable to provide slurry disposal in active mine sites without construction of new surface slurry pits.

Key words: potash mine, salt tailings pile, clay-salt slurry, salt waste, hydraulic deposition, admixing, capacity trenches, high-pressure pump, bulldozer, filter press.

DOI: 10.25018/0236-1493-2017-10-0-212-218

AUTHORS

Shilov A.V.1, Leading Engineer, e-mail: Aleksandr.Shilov@uralkali.com, Rusakov M.I.1, Head of Laboratory, e-mail: Mihail.Rusakov@uralkali.com, 1 Joint stock company «VNII Galurgii», 614002, Perm, Russia.

REFERENCES

1. Borzakovskiy B. A., Papulov L. M. Raboty na Verkhnekamskikh kaliynykh rudnikakh: spravochnik (Activities in the Upper Kama potassium mines: Handbook), Moscow, Nedra, 1994, 234 p.

2. Starkov L. I., Zemskov A. N., Kondrashev P. I. Razvitie mekhanizirovannoy razrabotki kaliynykh rud (Development of potassium ore mining mechanization), Perm, Izd-vo PGTU, 2007, 522 p.

3. Borzakovskiy B. A., Kachurin N. M., Rusakov M. I. Gornyy zhurnal. 2016, no 10, pp. 61-64.

4. Borzakovskiy B. A., Genkin M. V., Rusakov M. I. Patent 019914 MPK E21F15/00, 30.07.2014.

5. Borzakovskiy B. A., Rusakov M. I., Shilov A. V. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 1, pp. 207-217.

6. Borzakovskiy B. A., Rusakov M. I., Shilov A. V. Patent 022728 MPK E21C41/26, B09B1/00, 29.02.2016.