Способ селективного извлечения металлов из жидкого коллективного концентрата полезных компонентов руды на добычном участке при подземном выщелачивании и автоматическое устройство для его реализации
METHOD OF SELECTIVE EXTRACTION OF METALS FROM LIQUID BULK CONCENTRATE OF USEFUL ORE COMPONENTS AT MINING SITE AT UNDERGROUND LEACHING AND AUTOMATIC DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к горному делу в области геотехнологий - способам добычи твердого полезного ископаемого посредством подземного выщелачивания (ПВ).
Предлагаемое техническое решение целесообразно применять при освоении обводненных рудных месторождений в условиях неразвитой транспортно-энергетической инфраструктуры, сопряженных с необходимостью обезвоживания больших объемов добываемого продуктивного раствора непосредственно на добычном промысле, например, как в вариантах экологической разработки методом ПВ месторождений в Западно-Сибирском железорудном бассейне.
Из источника RU 2594912 С2 МПК Е21В 43/28, приоритет 07.08.2015 г. дата публ. заявк. 10.01.2016 г. Бюл. №1; опубл. 20.08.2016 Бюл. №23 известно о следующем техническом решении. Согласно патенту RU 2594912 предложен способ освоения глубокозалегающего обводненного месторождения бурожелезняковых оолитовых руд посредством ПВ, использующий регулярное суточное действие приливной волны земной поверхности над железорудным месторождением. При этом в цикл отлива выщелачивающий агент подается в продуктивный пласт, где смешивается с подземными водами, растворяет полезные компоненты железной руды, образуя продуктивный раствор, который в цикл прилива подается в устьевой резервуар эксплуатационной скважины.
Недостатком способа по патенту RU 2594912 является необходимость нести достаточно большие расходы на обогащение водного продуктивного раствора, получение коллективного концентрата выщелаченных полезных компонентов руды и селекцию металлов за пределами добычного промысла.
В способе по заявке на изобретение RU 2018139445 описана экологическая геотехнология освоения железорудного месторождения посредством ПВ, в которой также используется обводненность месторождения и регулярное суточное действие земной поверхности.
За наиболее близкий аналог (прототип) выбран предложенный способ извлечения полезных компонентов руды из продуктивного раствора на добычном промысле и роботизированный комплекс для реализации способа (заявка на изобретение №2019125765/03 от 13.08.2019, 17 с.), в котором добычный процесс реализуется посредством циркуляции водного рабочего раствора целенаправленно и периодически изменяющего свои свойства по схеме: атмосферные осадки → болотная вода → выщелачивающий агент → смесь агента с обводняющим продуктивный пласт напорным потоком → продуктивный раствор → промежуточный продукт → бассейн-отстойник → коллективный концентрат → рециклинг воды отстоя.
Данное технологическое решение отличается от предыдущих аналогов тем, что процесс извлечения приоритетного полезного компонента руды из продуктивного раствора в сборные емкости устьевого резервуара эксплуатационной скважины реализуется последовательностью следующих технологических операций, а именно: культивирования и размножения специализированных металлофильных микроорганизмов, приготовления бактериальных суспензий, изготовления матрицы, обсеменения матрицы бактериальной микрофлорой, изготовления сменного картриджа, зарядки картриджа обсемененой матрицей, круглосуточного экспонирования матрицы в проточном продуктивном растворе, замены использованной металлоносной матрицы на новую матрицу, обсемененную микрофлорой, повторного цикла извлечения приоритетного полезного компонента руды из продуктивного раствора автоматически роботизированным комплексом на добычном промысле одновременно на нескольких эксплуатационных скважинах.
Недостатком прототипа можно считать отсутствие организованного на добычном промысле селективного обогащения жидкого коллективного концентрата полезных компонентов руды, транспортировка которого на обогатительный передел за пределы добычного промысла еще экономически нецелесообразна.
Поставлена задача - обеспечить селективное извлечение металлов из жидкого коллективного концентрата и последующее сгущение выделенных фракций.
Поставленная задача решается следующим образом.
1. Способ селективного извлечения металлов из жидкого коллективного концентрата полезных компонентов руды на добычном участке при подземном выщелачивании, включающий подачу коллективного концентрата в подземную ступенчатую колонну-стратификатор на добычном участке, стратификацию коллективного концентрата на легкую, среднюю и тяжелую фракции, каждую в пределах своего цилиндрического объема колонны-стратификатора, соответствующего удельному вкладу фракций в объем жидкого коллективного концентрата и соотношению диаметру ступени к ее высоте, равному один к одному, и извлечение из тяжелой фракции приоритетного полезного компонента руды посредством обсемененной металлофильными микроорганизмами жаброподобной матрицы, регулярно осциллирующей вверх-вниз вдоль аксиальной оси симметрии цилиндрического объема нижней ступени, содержащей тяжелую фракцию, после завершения бактериального извлечения приоритетного полезного компонента из тяжелой фракции все фракции раздельно, сначала легкая фракция - из верхней ступени колонны - стратификатора, затем средняя фракция - из средней ступени, после, тяжелая фракция - из нижней ступени последовательно ламинарным потоком перекачиваются в индивидуальные подземные сборные емкости, а шлам из зумпфа - в подземный шламонакопитель, откуда они забираются для дальнейшего раздельного обогащения на добычном участке и получения компактного промежуточного продукта, пригодного для транспортировки за пределы добычного промысла на технологический передел и/или промышленное использование.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регулярное осциллирование жаброподобной матрицы производят посредством образования и ликвидации пузыря газа, производимого бактериями, обсеменяющими матрицу, причем достижение верхней границы страты тяжелой фракции осуществляют за счет действия подъемной силы пузыря газа, а достижение нижней границы осуществляют за счет действия силы тяжести при стравливании газа из пузыря в атмосферу.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в случае генерации бактериями горючего газа, например, метана, последний сжигается в атмосфере на факеле с термоэлектрическим преобразованием выделяющегося тепла, причем получаемый электрический ток используется для подзарядки аккумулятора, питающего через термореле нагревательные элементы жаброподобной матрицы.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что питательную среду для металлофильных бактерий, обсеменяющих жаброподобную матрицу, подают сверху колонны-стратификатора из емкости по трубке капельным путем посредством капельницы.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что легкую фракцию утилизируют на добычном промысле путем пропитки ей торфяного субстрата, приготовленного из торфяных отложений, перекрывающих месторождение, с получением органоминеральных удобрений.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что среднюю фракцию барбатируют водородом на добычном промысле с получением в осадке металлов среднего атомного веса в виде порошка.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что тяжелую фракцию на добычном промысле упаривают посредством тепловой энергии, получаемой окислением торфа, перекрывающего месторождение руды, до образования твердого остатка соединений благородных и редкоземельных металлов.
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что шламовый осадок направляют на центрифугирование с отделением частиц песка и глины, а тяжелый остаток направляют на селективное извлечение металлов ионообменным методом.
9. Автоматическое устройство для реализации способа по п. 1, отличающееся тем, что содержит подземную трехступенчатую колонну-стратификатор с зумпфом, заполненную жидким коллективным концентратом полезных компонентов руды так, что в верхнем цилиндрическом объеме первой ступени стратифицирована легкая фракция концентрата, в среднем цилиндрическом объеме второй ступени стратифицирована средняя фракция концентрата, в нижнем цилиндрическом объеме третьей ступени стратифицирована тяжелая фракция концентрата, а в зумпфе осажден шлам, в нижнюю страту помещена жаброподобная матрица, обсемененная металлофильными бактериями по развитой поверхности радиально и вертикально ориентированных щетинистых плетей, снабженных перфорированными трубочками для подачи питательного раствора через питательный коллектор и нагревательными элементами из нихромовой проволоки, соединенными через герметичные контактные группы с термореле, матрица прикреплена к пленочному газосборному куполу, вершина которого снабжена перепускным газовым клапаном, соединенным пластмассовой трубкой с поплавком-рессивером на поверхности верхней страты, который, в свою очередь, снабжен стравочным газовым клапаном, соединенным трубкой с атмосферным факельным устройством, содержащим поджиг и термоэлектрический генератор, соединенный через входное подзарядное устройство с аккумулятором, расположенном на съемной крышке колонны-стратификатора рядом с емкостью, содержащей питательный раствор, и соединенной трубкой над поверхностью верхней страты с капельницей, которая, в свою очередь, соединена пластмассовой трубкой с питательным коллектором матрицы, а аккумулятор соединен герметичным грузонесущим электрическим кабелем через термореле с нагревательными элементами всех щетинистых плетей, при этом устройство снабжено наплавным насосом для перекачки агрессивных жидкостей и погружным шламовым насосом, запитываемых автономно и/или из электроснабжаемых источников добычного промысла.
Опишем предлагаемое техническое решение с использованием иллюстративного материала, представленного на фиг. 1-7.
На фиг. 1 представлена совокупность операций, реализующих способ. Здесь обозначено: ПВ - подземное выщелачивание полезных компонентов руды; СПР - сбор продуктивного раствора; БИ ППК - бактериальное извлечение приоритетного полезного компонента руды; ОПП - отстой промежуточного продукта; СКК - стратификация жидкого коллективного концентрата полезных компонентов руды на фракции; БИ ППК ТФ - бактериальное извлечение приоритетного полезного компонента руды из тяжелой фракции; СЛФ - сбор легкой фракции в индивидуальную подземную емкость; ССФ - сбор средней фракции в индивидуальную подземную емкость; СТФ - сбор тяжелой фракции в индивидуальную подземную емкость; СШ - сбор шлама в индивидуальную подземную емкость.
На фиг. 2 изображено схематически автоматическое устройство, реализующее способ. Здесь обозначено: 1 - дневная поверхность добычного промысла; 2 - аккумулятор электрический; 3 - тепловая изоляция; 4 - зарядное устройство аккумулятора; 5 - факельное устройство с поджигом и термоэлектрогенератором; 6 - крышка; 7 - емкость с питательным раствором; 8 - капельница; 9 - стравливающий клапан с реле факельного поджига; 10 - поплавок-рессивер; 11 - первая верхняя ступень колонны-стратификатора с легкой фракцией жидкого коллективного концентрата; 12 - вторая средняя ступень колонны-стратификатора со средней фракцией жидкого коллективного концентрата; 13 - третья нижняя ступень колонны-стратификатора с тяжелой фракцией жидкого коллективного концентрата; 14 - зумпф со шламом; 15 - кабель-трос; 16 - газоотводящая трубка; 17 - трубка с питательным раствором; 18 - перепускной клапан; 19 - пленочный газосборный купол с газовым пузырем; 20 - щетинистые плети, обсемененные металлофильными бактериями.
На фиг. 3 изображена жаброподобная матрица (а) и щетинистая плеть (б). Здесь обозначено: 21 - грузонесущий каркас; 22 - питательный коллектор; 23 - электрический коллектор с термореле и герметичными контактами; 24 - нихромовый электронагреватель; 25 - оросительная трубка.
На фиг. 4 представлены радиальная (а) и вертикальная (б) структуры щетинистых плетей жаброподобной матрицы: Ар и Ав - амплитуды осцилляции матриц, соответственно, с радиальной и вертикальной структурами плетей; Wp и Мв - частоты осцилляций соответствующих матриц в нижней страте тяжелой фракции жидкого коллективного концентрата.
Работу автоматического устройства (фиг. 2) иллюстрирует схема питания (фиг. 5), электрическая схема (фиг. 6) и газовая схема (фиг. 7).
Как и в прототипе после ПВ осуществляются операции СПР, БИ ППК и ОПП, а затем известное техническое решение усовершенствуется добавлением операций СКК, БИ ППК ТФ, СЛФ, ССФ, СТФ и СШ (Фиг. 1). Причем, если БИ ППК осуществляют в проточном существенно разбавленном ПР, то БИ ППК ТФ осуществляют в стоячем концентрированном растворе обеспечивая подводку свежего раствора к колониям бактерий за счет осциллирования матрицы между верхней и нижней границами страты ТФ и поддерживая концентрацию раствора на уровне, достаточном для жизнедеятельности бактерий.
Осциллирование матрицы наиболее эффективно при оптимальной геометрии ступени колонны-стратификатора, содержащей фракцию коллективного концентрата, а именно, при цилиндрической геометрии ступени соотношение диаметра ступени d к высоте ступени h должно быть d:h=1:1 (Фиг. 2). Новшеством способа также является дальнейшее использование разделенных фракций, после процедуры БИ ППК ТФ, на добычном участке. Сначала они последовательно, первая - легкая фракция, вторая - средняя фракция, третья - тяжелая фракция, ламинарным потоком перекачиваются в индивидуальные подземные емкости, а шлам из зумпфа - в подземный накопитель, затем фракции, каждая своим методом, перерабатываются на месте. При этом каждый предложенный метод был апробирован в лабораторных условиях, где была показана принципиальная возможность:
- получения органоминеральных удобрений путем пропитки легкой фракцией торфяного субстрата;
- получения в осадке металлов среднего атомного веса в виде порошка при барбатировании средней фракции водородом;
- образования твердого остатка соединений благородных и редкоземельных металлов при упаривании тяжелой фракции, а также селективного извлечения металлов ионообменным методом из тяжелого остатка, полученного после центрифугирования шламового осадка с отделением частиц глины и песка.
Предлагаемый способ обладает еще тремя новшествами, использующими специфику жизнедеятельности бактерий, а именно, особенности питания и выделения продуктов переработки питания.
Стандартное решение процедуры питания бактерий путем растворения сразу большого количества питательного раствора (например, глюкозы) во всем объеме страты снижает концентрацию тяжелой фракции, а, значит, и эффективность БИ ППК ТФ, и, при этом, может приводить к голоданию бактерий в стоячем растворе ТФ. Организация постоянного и дозированного поступления раствора к бактериям решает эту задачу. Здесь в качестве аналогов использованы известные в других отраслях приемы:
в медицине - капельная подача лекарств в вену больного;
в агротехнике - капельное орошение («под корень») клубники на плантациях в пустыне. Питательный раствор в количестве, достаточном для обеспечения всего цикла БИ ППК ТФ, помещают в емкость, расположенную выше матрицы, и подают через капельницу в оросительные трубки, локально питающие колонии бактерий, постоянно обеспечивая их жизнедеятельность без разубоживания ТФ.
Газовыделение бактерий позволяет применить еще два новшества в целях организации автоматической осцилляции жаброподобной матрицы и автоматической подзарядки аккумулятора, обеспечивающего комфортную температуру (36,5±3,5°С) для жизнедеятельности бактерий.
Для реализации автоматической осцилляции матрицы предложено собирать в большой газовый пузырь под куполом матрицы мелкодисперсные газовые пузырьки, выделяемые бактериями, создавая этим подъемную силу, увлекающую матрицу к верхней границе страты ТФ, при достижении которой происходит срабатывание перепускного клапана, выпускающего собранный газ в поплавок-рессивер, при этом матрица, под действием силы тяжести, опускается к нижней границе страты ТФ и, таким образом, обеспечивается регулярное поступление свежего раствора ТФ к колониям бактерий, обсеменяющих щетинистые плети жаброподобной матрицы.
Для случая выделения бактериями горючего газа, например, метана, предложено газ из поплавка-рессивера стравливать в атмосферу на факел, сжигать его с получением тепла, использовать тепло для термоэлектрогенерации и регулярной подзарядки аккумулятора, который питает нагревательные элементы щетинистых плетей матрицы и обеспечивает комфортный температурный режим для эффективного БИ ППК ТФ.
Техническую реализацию предложенного способа может осуществить автоматическое устройство, иллюстрируемое фигурами фиг. 2-7.
Работа данного устройства организована следующим образом.
Опытным путем изучается состав ПР до и после БИ ППК, а также состав жидкого коллективного концентрата ПК после отстоя в бассейне «латерального» простирания, в том числе, соотношение объемов легкой (ЛФ), средней (СФ) и тяжелых (ТФ) фракций, на основании которого рассчитывается конструкция подземного отстойника «вертикального» простирания - колонны-стратификтора, обеспечивающего относительно четкое разграничение фракций коллективного концентрата, сливаемого из бассейна. После отстоя в течение необходимого времени концентрат стратифицируется следующим образом: в первой верхней ступени 11 колонны соберется легкая фракция, во второй средней ступени 12 - средняя фракция, в третьей нижней ступени 13 - тяжелая фракция, а в зумпф 14 - выпадает шлам, состоящий из мелкодисперсных частичек глины и песка, а также соединений тяжелых металлов. Из состава ТФ организуется, дополнительно к БИ ППК, операция БИ ППК ТФ, увеличивающая, еще на добычном промысле, выход самого ценного полезного компонента руды. Для этого в нижнюю страту на кабель-тросе 15 помещают жаброподобную матрицу, обсемененную металлофильными бактериями по развитой поверхности радиально и/или вертикально ориентированных щетинистых плетей 20, снабженных перфорированными оросительными трубочками 25 для подачи питательного раствора через питательный коллектор 22 и нагревательными элементами 24, соединенными через электрический коллектор с герметичными контактными группами 23 с термореле (фиг. 2-4). К грузонесущему каркасу 21 матрицы прикреплены плети 20, питательный 22 и электрический 23 коллекторы, пленочный газосборный купол 19, кабель-трос 15, газоотводящая трубка 16 с перепускным клапаном 18, трубка питательная 17 с капельницей 8.
Питание из емкости 7, расположенной на крышке 6 колонны-стратификатора, через капельницу 8 попадает в питательный коллектор 22 и распределяется по оросительным трубкам 25, обеспечивающим постоянное дозированное снабжение колоний бактерий на щетинистых плетях 20 (фиг. 5).
Одновременно электрическая схема (фиг. 6) в составе нагревательных элементов 24, электрического коллектора с термореле 23, кабель-троса 15, аккумулятора 2 обеспечивает оптимальную для жизнедеятельности бактерий температуру 36,5±3,5°С. Бактерии, благодаря своей металлофильности, извлекают металл - ППК из ТФ и продуцируют мелкие пузырьки газа в качестве продукта своей жизнедеятельности, который скапливается в виде газового пузыря под газосборным куполом 19 и поднимает матрицу вверх. Далее срабатывает газовая схема (фиг. 7) автоматического устройства (фиг. 2): включается перепускной клапан 18, настроенный на определенный перепад давления газа, и подкупольный газ перепускается по газоотводящей трубке 16 в поплавок-рессивер 10, после чего матрица опускается вниз.
В случае генерации бактериями горючего газа, например, метана, газ может использоваться как энергоноситель для регулярной подзарядки аккумулятора 2 по электрической схеме на фиг. 6 и газовой схеме на фиг. 7. Для этого горючий газ из поплавка-рессивера 10 выдается на дневную поверхность 1 на факельное устройство 5, где регулярно сжигается за счет автоматического срабатывания стравливающего клапана с реле факельного поджига газа 9. При этом факельное устройство с поджигом и термоэлектрогенератором 5 через зарядное устройство 4 регулярно производит подзарядку аккумулятора 2.
В зависимости от величины расстояния между верхней и нижней границами страты ТФ и интенсивности бактериальной газогенерации наиболее эффективной может оказаться радиальная (а) или вертикальная (б) структура щетинистых плетей 20 жаброподобной матрицы (фиг. 4). Поскольку эффективность процесса БИ ППК ТФ зависит от амплитуды А и частоты W осцилляции матрицы в пределах страты ТФ, то для радиальной структуры Ар>Ав и Wp<Мв, а для вертикальной структуры Wв>Wp и Ав<Ар.
Практически возможности предложенного технического решения могут быть оценены на примере освоения конкретного месторождения, например, Бакчарского месторождения бурых железняков оолитового строения Томской области, открытого в середине 50-х годов 20-го века.
По данным лабораторных исследований и результатам инструментального анализа бакчарской руды, выполненных в Западно-Сибирском испытательном центре (г. Новокузнецк), Институте горного дела СО РАН (г. Новосибирск), Аналитическом Центре Московского Института стали и сплавов (г. Москва), Сибирском НИИ торфа (г. Томск), Национальном исследовательском Томском политехническом университете (г. Томск), Томской горнодобывающей компании (г. Томск), из фракций жидкого коллективного концентрата полезных компонентов руды могут быть получены следующие продукты:
- из ТФ посредством БИ ППК - золото (при содержании в руде 1 г./т);
- из ТФ в твердом осадке после упаривания - золото, платина, палладий, редкоземельные металлы;
- из СФ - после барботирования водородом - порошковое железо (при 35% Fe по руде);
- из ЛФ - после пропитки субстрата торфа - органо-минеральное фосфористое удобрение (при содержании макропримеси в руде 1,6% Р);
- из шлама - после центрифужного отделения частиц глины и песка и ионообменного извлечения - уран и торий (тяжелых микропримесей в руде).
Технический результат от использования новшества заключается в следующем:
- обеспечено получение товарного продукта на добычном промысле уже с первого года его эксплуатации, что позволяет осуществлять ранний возврат инвестиций в проект освоения месторождения;
- в приоритетном порядке организовано получение наиболее ценного, в данный период времени, полезного компонента руды, например, золота, платины или палладия;
- осуществлено получение на добычном промысле промпродуктов, содержащих стратегические металлы - редкоземельной группы, урана и тория;
- основной, по содержанию, полезный компонент руды получается в высокотехнологическом виде - в форме порошка;
- на добычном промысле или в непосредственной близости от него может быть организовано крупномасштабное производство обогащенного фосфором органоминерального удобрения.