Разработка технологии подготовки карьеров к складированию хвостов обогащения

УДК 622.014.2

О.В. Зотеев, А.А. Зубков, В.Н. Калмыков, И.М. Кутлубаев

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВКИ КАРЬЕРОВ К СКЛАДИРОВАНИЮ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ

Рассмотрена проблема использования для складирования хвостов обогатительного производства выработанного пространства карьеров. При использовании комбинированной технологии добычи полезных ископаемых совмещается подземная и открытая разработка месторождения. По завершению открытой разработки доработка рудных тел в районе карьеров продолжается шахтным способом. В этой ситуации использование пространства карьера возможно только при исключении возможности проникновения вод из карьера в шахтные выработки. Предложена технология подготовки карьера к складированию хвостов обогащения, включающая выполнение ряда технологических операций. Предварительно выполняется поярусная подготовка бортов карьера. С горизонта каждого яруса бурятся водоприемные скважины до водоотводящего канала, располагающегося на уровне ниже дна карьера. В пределах каждого яруса осуществляется двухслойная отсыпка. На основании экспериментальных исследований определено, что для обеспечения устойчивости примыкающий к борту слой должен формироваться из пород фракций 50...300 мм и толщиной не менее 2 м. Формирование внешнего слоя должно осуществляться толщиной более 1 м из пород фракций 3.5 мм. В этом случае обеспечивается достаточная проницаемость и накопление тонкой фракции отходов. Для более равномерного распределения пульпы вдоль борта карьера в нее добавляется флокулянт, в количестве не менее 0,01 гр/т. Это обеспечивает угол растекания 3—5 град, формирование пляжных зон и интенсивную водотдачу. Установлено, что угол растекания увеличивается, до концентрации флокулянтов в пульпе — 0,05 гр/т. Дальнейшее увеличение содержания флокулянтов подвижность практически не меняет. Основные аспекты предложенной технологии апробированы лабораторными и натурными экспериментами. На способ складирования зернистых отходов получен патент на изобретение № 2569100.

Ключевые слова: хвосты обогатительного производства, карьер, борт карьера, отсыпка, флокулянт, пульпа, водоприемные скважины, водоотведение.

Современное состояние горной промышленности характеризуется истощением запасов руд с высоким содержанием полезных компонентов [1]. Как следствие увеличивается объем хвостов обогатительного производства на тонну готового концентрата. Объем хвостов на тонну металла возрастает и может достигать 90—98% для некоторых типов

DOI: 10.25018/0236-1493-2017-9-0-109-114

медных руд [2]. По различным оценкам, ежегодный объем отходов добывающих предприятий и производства хвостов составляет от 5 до 7 млрд т в год [3].

Существующие хвостохранилища практически исчерпали резервы увеличения вместимости [4, 5]. Потребность в создании новых хвостохранилищь постоянно возрастает. При этом ужесточаются

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 9. С. 109-114. © О.В. Зотеев, А.А. Зубков, В.Н. Калмыков, И.М. Кутлубаев. 2017.

экологические требования к существующим и вновь организовываемым объектам такого рода [6, 7]. Вопросы складирования хвостов обогатительного производства обостряются и в ряде случаев являются фактором, сдерживающим производство концентрата.

В этой ситуации особую остроту принимают вопросы организации хранения хвостов в ранее выработанных пространствах карьеров. Вопрос имеет давнюю историю, но далек от своего завершения [8, 9]. Основная проблема заключается в том, что доработка рудных тел в районе карьеров продолжается шахтным способом. И без решения проблем эффективной защиты от проникновения вод из чаши карьера использовать их для хранения хвостов не представляется возможным.

Технология подготовки карьера рудника Лангер-Хайнрих в Республике Намибии была представлена на конференции Сиднее [10]. Основное внимание уделяется решению проблем отвода воды. По существу технология представляет собой развитие идей представленных существенно раньше [11]. В основе этих

технологий использование специальных геотекстильных покрытий выстилаемых на поверхность выработки. Использование данной технологи имеет ограниченный характер в силу сложности использования такого типа покрытий в условиях рудных карьеров.

Одним из вариантов решения проблемы является реализация способа предложенного в патенте № 2569100 [12]. По сути, разработана технология использования карьера в качестве хвостохра-нилища.

Перед началом складирования хвостов в карьер (см. рисунок), выполняется подготовка его бортов. Осуществляется планирование ярусов заполнения 1. С верхнего горизонта каждого яруса бурятся водоприемные скважины 2 до их соединения с водоотводящим каналом 3.

По борту карьера выполняется отсыпка примыкающего слоя 4 фракциями пород с размерами не менее 50 мм и не более 300 мм. Толщину слоя доводят до 2000 мм.

Поверх примыкающего слоя 4 производится отсыпка внешнего слоя 5 из

3 2 7 6

Поперечный разрез карьера подготовленного к заполнению

пород с размерами фракции 3...5 мм и толщиной не менее 1000 мм.

По завершению подготовки бортов производится складирование пульпы мелкозернистых и/или пылевидных твердых хвостов обогатительного производства. Заполнение ведется со стороны противоположного подготовленного борта. При этом в пульпу предварительно подается флокулянт в количестве 0,01. 0,05 кг/т.

Отходы в виде пульпы намываются поярусно 6. В пределах каждого яруса формируются прудковые 7 и пляжные 8 зоны. Емкость каждого яруса намывки 6 ограждается бортом карьера и слоями отсыпки 4 и 5, с одной стороны и естественным бортом с другой.

При необходимости борт, противоположный борту карьера, может быть подготовлен аналогичным образом.

При заполнении карьера до уровня первого яруса формируется прудковая зона 7 и пляжная 8 зоны. Разность давлений в прудковой зоне и водоотводя-щем канале 3 обеспечивает движение фильтрата в направлении борта карьера. При этом из фильтрата, при прохождении через слой внешний слой отсыпки 5 выделяются зернистые отходы. Это обусловлено размерами фракции 3. 5 мм, создающих сопротивление движению взвешенных зернистых частиц. До примыкающего к борту карьера слоя 4 основная масса взвешенных частиц задерживается во внешнем слое 5. Далее фильтрат собирается водоприемной скважине 2 и движется к водоотводяще-му каналу 3. В процессе движения фильтрата по водоприемной скважине происходит доочистка фильтрата, из него выделяются остатки зернистых отходов. Постепенно условный проход водоприемной скважины уменьшается.

Двухслойная отсыпки дренажа 4 и 5 обеспечивает создание зон, обладающих различным гидравлическим сопротивлением. В совокупности с выбором

размеров фракций, в пределах каждого слоя отсыпки 4 и 5, исключается аварийный прорыв пульпы.

Выполнение слоя 4, примыкающего к борту карьера, с большим размером фракций, чем внешний 5, создает решетку — несущую конструкцию, удерживающую более мелкие фракции. Создается склон с углом наклона больше того, что характерен для слоя только из мелкой фракции 4. Это позволяет формировать вдоль борта карьера (в поперечном направлении) слой 4 с углом наклона близким к углу наклона самого борта. При этом слой мелкой фракций 5 имеет большое гидравлическое сопротивление, что исключает залповый прорыв через него пульпы. Постепенная кольматация, при фильтровании через него пульпы, обеспечивает создание экранирующего слоя в пределах слоя, образованного из мелких фракций 5. Экранирующий слой исключает залповое попадание пульпы с высоким содержанием мелких зернистых фракций в скважины 2 и водоотводящий канал 3, их забивку и вывод из строя.

Выполнение скважин 2 в пределах каждого яруса 1 индивидуально обеспечивает непрерывный отвод фильтрованных вод по мере увеличения уровня пульпы ярусах намывки 6. По мере набора высоты каждого из ярусов производится дренаж вод через двухслойную отсыпку. При этом часть мелкозернистой фракции попадает в скважину, постепенно откладываясь в ней снижая условный проход. При достижении уровнем пульпы верхней границы соответствующего яруса возможно существенное уменьшение условного прохода скважины нижних ярусов. Переход уровня пульпы в зону последующего яруса обеспечивает дальнейший отвод отфильтрованных вод через новую, незадействованную ранее скважину. Обеспечивается непрерывный, стабильный отвод отфильтрованных вод.

Соотношение размера пород фракций 50...300 мм и общей толщины примыкающего слоя 4 не менее 2000 мм обеспечивает его устойчивость и исключает самопроизвольное обрушение, возникающее при меньшей толщине.

Внешний слой 5, формируемый из пород фракций 3.5 мм при толщине не менее 1000 мм, обеспечивает достаточную проницаемость с одной стороны и необходимую толщину слоя, формирующую накопление тонкой фракции отходов. При меньшей толщине слоя до завершения намыва яруса происходит забивка скважин для отвода воды.

Размеры фракций и толщины слоев 4 и 5 были определены опытным путем в процессе работ при заполнении Гайско-го карьера ОАО «Гайский ГОК» хвостами обогатительного производства. Одновременно были проведены лабораторные исследования влияния содержания

флоокулянтов в пульпе от 0,005 гр/т до 0,08 гр/т, угол и время растекания.

Установлено, что подача в пульпу фло-кулянтов в количестве 0,01 гр/т обеспечивает ей высокую подвижность и, как следствие, равномерное распределение вдоль борта карьера. Угол растекания составляет 3—5°. С увеличением концентрации подвижность пульпы увеличивается, что является достаточным для формирования пляжных зон и интенсивной водотдаче. Тенденция сохраняется до концентрации флокулянтов в пульпе — 0,05 гр/т. При дальнейшем увеличении содержания флоокулянтов подвижность практически не меняется.

Совокупность разработанных мероприятий по подготовке карьера к складированию хвостов обогатительного производства позволяет приступить к опытной реализации технического решения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Комаров М.А., Алискеров В.А., Кусевич В.И., Заверткин В.Л. Горно-промышленные отходы — дополнительный источник минерального сырья // Минеральные ресурсы России. Экономика и управление. — 2007. — № 4. — С. 3—9.

2. Chakrabarti S., Mudd G. M., Kodikara J. Coupled Atmopsheric-Unsaturated Flow Modelling of Leached Ash Disposal in the Latrobe Valley, Australia / Proc. 1st International Conference on Engineering for Waste Treatment, Albi, France, May 2005, 8 p.

3. Nagaraj D. R. Minerals Recovery and Processing / Published Online: 2 DEC 2005. DOI: 10. 1002/0471238961.1309140514010701.a01.pub2.

4. Мельников И. Т., Кутлубаев И. М., Суров А. И., Мельников И. И., Васильев К. П., Плотников Д. П., Шевцов Н. С. Разработка методики определения рациональных параметров намывных хвостохранилищ и отвалов вскрыши // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. — 2011. — № 1. — С. 9—13.

5. Мельников И. Т., Кутлубаев И. М., Голяк С. А., Суров А. И., Мельников И. Т., Васильев К. П. Совершенствование технологии формирования намывных хвостохранилищ // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. — 2012. — № 2. — С. 11—14.

6. Голик В. И., Гегуев С. М., Сидаков А. Г., Сатцаев А. М. Экологические аспекты утилизации хвостов обогащения / Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр: Международная конференция. — М.: РУДН, 2002. — С. 182—184.

7. Исмаилов Т. Т., Голик В. И., Комащенко В. И. Экологические аспекты хранения хвостов обогащения // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2005. — № 10. — С. 5—8.

8. Захаров И. В., Ворошилов А. Г., Терехина Ю. В. Использование бестранспортной технологии складирования хвостов РРС в выработанное пространство карьера месторождения Восток-2 // ГЛОБУС. — 2014. — № 5 (34). — С. 52—54.

9. Захаров И. В., Ворошилов А. Г., Терехина Ю. В. Поточная технология складирования отходов (хвостов) рентгенорадиометрической сепарации в выработанное пространство карьера приморского ГОКа // Горный журнал. — 2016. — № 1. — С. 77—81.

10. Hore C., Luppnow D. In-pit Tailings Disposal at Langer Heinrich — Tailings Storage Facilities in a Unique Hydrogeological Setting // Tailings and Mine Waste Management for the 21st Century. Sydney, NSW, 27—28 July 2015. pp. 373—380.

11. Matich M. A. J., Tao W. F. The Rabbit Lake open pit tailing disposal system / In Proceedings Canadian Nuclear Society 2, International Conference on Radioactive Waste Management. — 1986. pp 45—54.

12. Калмыков В. Н., Зубков А.А., Зотеев О. В., Зубков А. Е., Григорьев В. Е. Патент РФ № 2569100, 25.07.2014. Способ складирования зернистых отходов. 2015. Бюл. № 32.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Зотеев Олег Вадимович — доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник, ИГД УрО РАН, Зубков Антон Анатольевич — кандидат технических наук, заместитель директора,

000 «УралЭнергоРесурс», Магнитогорск,

Калмыков Вячеслав Николаевич1 — доктор технических наук, профессор, e-mail: prmpi@magtu.ru,

Кутлубаев Ильдар Мухаметович1 — доктор технических наук, профессор, e-mail: ptmr74@mail.ru,

1 Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 9, pp. 109-114.

UDC 622.014.2

O.V. Zoteev, A.A. Zubkov, V.N. Kalmykov, I.M. Kutlubaev

DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY FOR PREPARATION OF QUARRIES FOR STORAGE OF TAILINGS OF DRESSING

The problem of using the concentrating production of the worked out quarry space for tailing tailings is considered. When using combined mining technology, underground and open field development is combined. Upon the completion of open development, the completion of ore bodies in the quarry area is continued by the mine method. In this situation, the use of quarry space is possible only with the exclusion of the possibility of penetration of water from the quarry into mine workings.

A technology is proposed for preparing the sides of a quarry for storing the tailings of enrichment, including the execution of a number of technological operations. Previously performed tattoo preparation of the sides of the quarry. From the horizon of each tier, the water intake wells are drilled to the drainage channel, which is located below the bottom of the quarry. Within each layer, a two-layer backfilling is carried out.

On the basis of experimental studies it was determined that to ensure stability, the layer adjacent to the board should be formed from rocks of 50...300 mm fractions and at least 2 m thick. Formation of the outer layer should be carried out with a thickness of more than 1 m from 3...5 mm fractions. In this case, a sufficient permeability and accumulation of a fine fraction of the waste is ensured.

For a more even distribution of the pulp along the side of the pit, a flocculant is added to it, in an amount of at least 0.01 g/t. This provides a spreading angle of 3—5 degrees, the formation of beach areas and intensive water loss. It is established that the spreading angle increases, to the concentration of flocculants in the pulp — 0.05 g/t. The further increase in the content of flocculants does not practically change the mobility. The main aspects of the proposed technology are approved by

laboratory and field experiments. A method for storage of granular waste has received a patent for invention No. 2569100.

Key words: tails of enrichment production, quarry, quarry side, backfilling, flocculant, pulp, water intake wells, water disposal.

DOI: 10.25018/0236-1493-2017-9-0-109-114

AUTHORS

Zoteev O.V., Doctor of Technical Sciences, Professor, Leading Researcher,

Institute of Mining of Ural Branch of Russian Academy of Sciences, 620075, Ekaterinburg, Russia,

ZubkovA.A., Candidate of Technical Sciences, Deputy Director,

000 UralEnergoResurs, Magnitogorsk, Russia, Kalmykov V.N.1, Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: prmpi@maqtu.ru,

Kutlubaev I.M1, Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: ptmr74@mail.ru,

1 Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov, 455000, Magnitogorsk, Russia.

REFERENCES

1. Komarov M. A., Aliskerov V. A., Kusevich V. I., Zavertkin V. L. Mineral'nye resursy Rossii. Ekono-mika i upravlenie. 2007, no 4, pp. 3—9.

2. Chakrabarti S., Mudd G. M., Kodikara J. Coupled Atmopsheric-Unsaturated Flow Modelling of Leached Ash Disposal in the Latrobe Valley, Australia. Proc. 1st International Conference on Engineering for Waste Treatment, Albi, France, May 2005, 8 p.

3. Nagaraj D. R. Minerals Recovery and Processing. Published Online: 2 DEC 2005. DOI: 10.1002 /0471238961.1309140514010701.a01.pub2.

4. Mel'nikov I. T., Kutlubaev I. M., Surov A. I., Mel'nikov I. I., Vasil'ev K. P., Plotnikov D. P., Shevts-ov N. S. Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova. 2011, no 1, pp. 9—13.

5. Mel'nikov I. T., Kutlubaev I. M., Golyak S. A., Surov A. I., Mel'nikov I. T., Vasil'ev K. P. Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova. 2012, no 2, pp. 11—14.

6. Golik V. I., Geguev S. M., Sidakov A. G., Sattsaev A. M. Resursovosproizvodyashchie, malootk-hodnye i prirodookhrannye tekhnologii osvoeniya nedr: Mezhdunarodnaya konferentsiya (Resource-reproducing, low-waste and nature protection technologies of subsoil development. International conference), Moscow, RUDN, 2002, pp. 182—184.

7. Ismailov T. T., Golik V. I., Komashchenko V. I. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2005, no 10, pp. 5—8.

8. 3akharov I. V., Voroshilov A. G., Terekhina Yu. V. GLOBUS. 2014, no 5 (34), pp. 52—54.

9. Zakharov I. V., Voroshilov A. G., Terekhina Yu. V. Gornyy zhurnal. 2016, no 1, pp. 77—81.

10. Hore C., Luppnow D. In-pit Tailings Disposal at Langer Heinrich Tailings Storage Facilities in a Unique Hydrogeological Setting. Tailings and Mine Waste Management for the 21st Century. Sydney, NSW, 27—28 July 2015. pp. 373—380.

11. Matich M. A. J., Tao W. F. The Rabbit Lake open pit tailing disposal system. In Proceedings Canadian Nuclear Society 2, International Conference on Radioactive Waste Management. 1986. pp. 45—54.

12. Kalmykov V. N., Zubkov A. A., Zoteev O. V., Zubkov A. E., Grigor'ev V. E. Patent RU 2569100, 25.07.2014.

A