ОТВАЛ ГОРНЫХ ПОРОД ТЕХНОГЕННОЙ РОССЫПИ
DUMP OF MINE ROCK OF TECHNOGENIC GRAVEL DEPOSIT

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и может быть использовано при освоении запасов техногенных россыпей, формируемых при отработке целиковых россыпей золота.
Техногенные россыпи представляют собой сложное сочетание отвальных образований, характеризующихся хаотичным распределением в их толще частиц драгоценных металлов и природных россыпей, не отработанных при первичной их эксплуатации.
К основным ресурсным и технологическим особенностям техногенных россыпей, обусловливающих низкую экономическую эффективность их дальнейшей переработки являются:
- относительно невысокое содержание полезных компонентов (золота) в отвалах техногенных образований;
- значительная доля золота мелких и тонких фракций в сравнении с фракциями целиковых структур природных россыпей, что вызывает необходимость применения особых, более сложных технологий его извлечения, при переработке технологических отвалов.
Поэтому при разработке техногенных образований принципиальное значение имеют технологические процессы, обеспечивающие предварительную подготовку горной массы к обогащению, оказывающие прямое влияние на повышение эффективности работы, как традиционных обогатительных аппаратов, так и нового оборудования.
Известен отвал горных пород техногенных россыпей, включающий эфельную и галечную массу, отсыпанных в выработанном пространстве в произвольном порядке (см. SU №1097797, Е21С 45/00, Е21С 41/00, 1984).
Недостатком этого технического решения является необходимость валовой выемки, т.к. кондиционные и некондиционные материалы размещены хаотично, что резко снижает содержание полезных компонентов в промываемой горной массе, повышает технологические потери золота и делает повторную разработку техногенных россыпей, как правило, нерентабельной.
Известен также отвал горных пород техногенной россыпи, включающий эфельный отвал, сформированный в выработанном пространстве на плотике, и галечный материал, отсыпанный на поверхности эфельного отвала (см. RU 2024753, Е21С 41/26, 1994).
Недостатком этого технического решения является низкая эффективность извлечения золота за счет того, что тонкое золото, составляющее зачастую существенную часть его запасов по россыпи, очень тяжело извлекается, особенно при значительном варьировании параметров золотин (частиц золота), определяющих их гидравлическую крупность.
Задача, на решение которой направлено заявленное решение, выражается в повышении эффективности извлечения золота при повторной разработке россыпных месторождений.
Технический результат, получаемый при решении поставленной технической задачи, выражается в обеспечении предварительной концентрации золотосодержащих фракций в приплотиковой зоне отвала, что позволяет минимизировать объемы промываемой горной массы. Кроме того, обеспечивается возможность сорбционного слияния золотых частиц вследствие использования высоких давлений в объеме илоотстойника, развиваемых при его заморозке, тем самым их укрупнение, что обеспечивает достаточно эффективное извлечение.
Для решения поставленной задачи отвал горных пород техногенной россыпи, включающий эфельный отвал, сформированный в выработанном пространстве на плотике, и галечный материал отсыпанный на поверхности эфельного отвала, отличается тем, что эфельный отвал сформирован непосредственно на плотике, по его периметру сформирован водоупорный барьер, например из глины, кроме того, на плотике размещен теплообменник в виде труб, ориентированных вдоль продольной оси отвала, выполненных с возможностью подачи по ним воздуха, снабженных средствами его подвода и отвода. Кроме того, средства подвода и отвода воздуха выполнены с возможностью подвода-отвода атмосферного воздуха с использованием силы ветра. Кроме того, вдоль продольной оси отвала выполнены вертикальные контрольные скважины, снабженные обсадными трубами. Кроме того, вершина отвала выполнена в виде площадки или желоба, ориентированного вдоль продольной оси отвала.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки «эфельный отвал сформирован непосредственно на плотике, по его периметру сформирован водоупорный барьер» обеспечивают возможность создания «накопителя» тонкого золота в нижней зоне отвала за счет последующей промывки его вышележащего объема безнапорными потоками воды и обеспечивают в дальнейшем возможность создания высокого давления в объеме илоотстойника. При этом водонепроницаемость плотика исключает миграцию в него золота, а барьер обеспечивает удержание илоэфельного материала, содержащего золотую фракцию, в т.ч. и тонкую.
Признаки, указывающие, что в качестве материала, используемого для изготовления барьера, применяют глину, позволяют минимизировать издержки на формирование барьера.
Признаки «на плотике размещен теплообменник» обеспечивают возможность проведения двухстадийного замораживания отвала - вначале объема отвала без объема илоотстойника и в последнюю очередь промораживание объема илоотстойника, что позволяет повысить уровень давления, развиваемого в объеме илоотстойника, а это в свою очередь обеспечивает как усиление миграции золотой фракции вниз в илоотстойник, так и в дальнейшем укрупнение частиц золота за счет их слипания друг с другом при давлении, развиваемом при заморозке.
Признаки, указывающие, что теплообменник выполнен в виде труб, ориентированных вдоль продольной оси отвала, выполненных с возможностью подачи по ним воздуха», исключают загромождение пространства между соседними отвалами средствами подвода-отвода воздуха, кроме того, упрощается демонтаж теплообменника.
Признаки, указывающие, что теплообменник снабжен средствами подвода и отвода воздуха, позволяют в значительной мере управлять процессами промораживания - протаивания илоотстойника.
Признаки второго пункта формулы изобретения позволяют обеспечить подвод-отвод атмосферного воздуха в теплообменник за счет использования силы ветра, что исключает затраты энергии на этот процесс.
Признаки третьего пункта формулы изобретения позволяют обеспечить контроль за состоянием увлажненности отвала, контроль за процессом миграции золотых фракций и их укрупнением, а также исключают «пересыпание» скважин материалом отвала.
Признаки четвертого пункта формулы изобретения позволяют повысить эффективность промывки объема отвала безнапорными водными потоками (вымывания и миграции вниз частиц золота), особенно при низких уровнях естественных водных осадков.
Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан поперечный разрез отвала; на фиг.2 схематически показан продольный разрез отвала с системой охлаждения-обогрева илоотстойника; на фиг.3 показан характер распределения золота после 21 цикла «проморозки-протаивания».
Переработка техногенных отвалов может быть целесообразной при обеспечении высокой концентрации оставшихся мелкодисперсных фракций золота в нижнем слое эфельного отвала и в илоотстойнике. Основное количество золота в техногенной россыпи представлено мелким и весьма мелкими классами крупности (от 0,06 до 0,5 мм). Отмечается явная закономерность увеличения количества золота от верхней части техногенной россыпи к нижней, что свидетельствует о его переотложении при фильтрации отвалов поверхностными водами.
Осуществление миграционных процессов золотоносных включений в приплотиковую часть пласта может быть обеспечено фильтрацией отвала поверхностными и промывочными водами, а также вследствие поверхностных напряжений в толще слоев отвала при периодической заморозке и оттаивании отвала.
При наличии в толще отвала горных пород техногенной россыпи фильтрационного потока может возникнуть несколько видов деформации структуры пород, способствующих процессам миграции ценных компонентов, песка и глины в придонную часть отвала и формированию в ней илоотстойника.
К таким деформациям относятся:
- суффозия, т.е. вынос или перемещение фильтрационным потоком наиболее мелких частиц горной массы. При наличии в грунтах растворимых солей возможна дополнительная химическая суффозия;
- контактный размыв, т.е. разрушение связных пород на контакте с более крупным материалом, обусловленное действием фильтрационного потока вдоль контактной поверхности;
- отслаивание, т.е. отрыв фильтрационным потоком частиц и агрегатов глинистых пород с фракцией галичной и эфельной массы.
В результате суффозии происходит увеличение пористости горной породы при росте размеров пор, что создает предпосылки к миграционным процессам ценных компонентов, имеющих более высокую плотность. При контактном размыве и отслаивании ослабляются связи между верхним и нижним слоями горной массы, что облегчает принудительное смещение верхних слоев пород к нижним.
Характеристики фильтрационного потока определяются многими показателями, которые в реальных условиях могут изменяться в широких пределах. К этим факторам относятся: пористость и фильтрационная способность горной массы, температура воды и пород, наличие или отсутствие водоупора и схема его расположения, глубина промерзания горной массы и скорость ее оттаивания.
Авторами заявки проведены экспериментальные исследования раздельного влияния безнапорных потоков воды и циклов «проморозки-протаивания» на формирование обогащенного пласта. Получены следующие данные: при воздействии на массив горной массы безнапорных потоков воды скорость миграции частиц золота в горизонтальной плоскости лежит в пределах от 0,95 до 1,6 мм/час, по вертикали - 0,47 мм/час; скорость миграции фракций золота в результате циклов «проморозки-протаивания» находится в пределах от 1,6 до 0,3 мм/сут (для частиц золота размером 2,5 мм, для более мелких фракций скорость миграции увеличивается).
Факт миграции золотин под влиянием циклов проморозки-протаивания не вызывает сомнения. Изучением этих процессов занимался ограниченный круг исследователей (Шило, Шумилов, 1969; Ванцевич и др., 1969; Решетников, 1970; Смеян, 1977), наиболее детальные экспериментальные и натурные исследования этих процессов выполнил Ю.В.Шумилов и др. Также факт миграции золотин подтверждается экспериментами, проведенными ранее в ИГД ДВО РАН.
Авторами также установлена миграция мелких золотых фракций в горной массе, состоящей из мелкой песчаной и глинистой фракций при периодической заморозке и оттаивании горной золотоносной массы, полностью затопленной водой. После проведения ряда циклов заморозки-оттаивания обработка горной породы слоями толщиной 2 см по высоте экспериментальной закладки показала, что значительная часть золотых фракций размерами до 0,25 мм мигрировала на всю глубину горной массы и достигла дна экспериментального сосуда.
Однако извлечение тонких золотых фракций, даже предварительно сконцентрированных в нижних пластах отвала, остается невысоким вследствие сложности процессов извлечения.
Увеличение степени извлечения золота может быть осуществлено только после предварительного укрупнения золотых мелкодисперсных включений, обеспечиваемого слипанием их в результате контакта и поверхностной диффузии, обусловленных высоким давлением в объеме, где они находятся.
Известен способ сорбционного слияния золотых частиц, а также золота и графита с благородными металлами [см. Л.П.Плюскина, Т.В.Кузьмина, О.В.Авченко. Экспериментальное моделирование сорбции золота на углеродистое вещество при 200-500°С, 1 кбар. Геохимия, 2004, №8, с.864-873], в котором слипание мелких фракций осуществлено при давлении 1 кбар и температуре 200-300°С, что позволяет затем извлекать золотые частицы из несвязных горных пород известными технологическими процессами. Однако такой процесс укрупнения (слияния частиц) энергоемок и неприменим в реальных условиях при обеспечении давления в объемах отвала.
Конструкция заявленного отвала обеспечивает реализацию способа укрупнения золотоносных фракций, основанного на принципе повышения давления при глубоком замораживании приплотиковой части отвала, при котором достижение высоких давлений обеспечивается исключением возможности деформации и расширения замораживаемого слоя.
Давление, развиваемое в процессе замораживания, определяется формулой (см. В.Новацкий «Динамические задачи термоупругости», М., Мир, 1970 г., с.256):
kk
t
7
10
-3
где σ - давление, Р≈(1,1-1,5)·10 Па - временное сопротивление льда в различных условиях его напряженного состояния при отрицательной температуре, К=0,9·10 Па - модуль упругости льда, α=0,053·10 (1/°С) - коэффициент линейного расширения льда, θ - температура, °С.
Значения давлений, развиваемых в процессе льдообразования, соответствующих различным температурным параметрам, приведены в табл.1.
Таблица 1
θ(°С)
σ<sub>kk</sub> (Па)
θ(°С)
σ<sub>kk</sub> (Па)
0
1,3·10<sup>7</sup>
-10
2,731·10<sup>7</sup>
-20
4,162·10<sup>7</sup>
-30
5,593·10<sup>7</sup>
-40
6,024·10<sup>7</sup>
-50
8,455·10<sup>7</sup>
На чертежах показаны галечный отвал 1; эфельный отвал 2; илоотстойник 3; плотик 4, водонепроницаемый барьер 5, водоприемная площадка 6 отвала, вертикальный сборный коллектор торцовых труб 7, соединительные трубы 8, контрольная скважина 9, придонные воздушные трубы 10, боковые воздушные трубы 11, раздающий воздушный коллектор 12, сборный воздушный коллектор 13, напорные воздушные трубы 14, вытяжные трубы 15, приемный дефлектор флюгерного типа 16, вытяжной дефлектор 17, воздушные заслонки 18 и 19.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Первичную отработку россыпного месторождения осуществляют известным образом с помощью известных средств, например с использованием драги предпочтительно до плотика 4.
В процессе первичной отработки россыпи на поверхности плотика 4 формируют отвал, при этом вначале, в пределах площади, предусмотренной для отсыпки отвала, размещают, желательно, параллельно друг другу плети придонных воздушных труб 10, а также при необходимости боковые воздушные трубы 11. Далее на подготовленную таким образом площадку ведут отсыпку эфельного отвала 2. При достижении эфельным отвалом 2 заданной площади основания по его периметру создают водонепроницаемый барьер 5 из водонепроницаемого, например, глинистого материала. Его высота определяется долей илистоэфельной фракции (размер эфеля менее 2 мм) в материале россыпи. Содержание этой фракции варьирует от 10 до 45% в материале россыпи. Таким образом, высота барьера 5 от плотика 4 составляет от 0,1 до 0,4 от высоты отвала (суммарной высоты эфельного и галечного отвала 1). При формировании водонепроницаемого барьера целесообразно дополнительно использовать водонепроницаемый пленочный материал (на чертежах не показан), например полиэтилен высокого давления.
Далее на эфельный отвал 2 отсыпают галечный отвал 1. Затем вершину отвала (формируемую материалом галечного отвала 1) профилируют, создавая площадку 6, предпочтительно вогнутую. Эта площадка 6 обеспечивает создание фильтрационного потока (сверху вниз) в теле отвала - вода подается из водного источника (на чертежах не показан) самотеком, а также поступает как дождевые воды. Далее на этой площадке бурят и известным образом обсаживают стальными трубами контрольные скважины 9.
В процессе фильтрации излишки воды удаляются из нижней части эфельного слоя и из илоотстойника, перетекая через верхнюю грань водонепроницаемого барьера 5, фильтруясь через слой галечника, и удаляется из отвала. Водонепроницаемая стенка 5 обеспечивает максимальное водонасыщение отвала в илоотстойнике 3.
В данном устройстве используется двухстадийное замораживание отвала. В первую очередь при закрытых воздушных заслонках 18 и 19 замораживают верхние слои отвала по высоте и периметру (т.е. промораживают объем отвала за исключением объема илоотстойника). Фронт промерзания движется к илоотстойнику 3, который будет воспринимать теплоту фазового перехода при замораживании влаги, обеспечивающую повышенную температуру в нем, в сравнении с эфельным вышерасположенным отвалом 2.
Илоотстойник 3 имеет тепловую изоляцию в виде придонных воздушных труб 10, соединенных сборными воздушными коллекторами 12, 13, и боковых воздушных труб 11, соединенных вертикальными коллекторами 7, соединенных трубопроводами 8 с напорными 14 и вытяжными 15 трубопроводами.
Контроль промерзания основной массы отвала ведется через контрольные скважины 9 с периодическим взятием проб.
Вторая стадия замораживания отвала (илоотстойника 3) производится после глубокого промерзания вышерасположенной части отвала. При этом на напорных воздушных трубах 14 открываются заслонки 18; на вытяжных трубах 15 - заслонки 19.
На входе в напорные воздушные трубы 14 установлены поворотные приемные дефлекторы флюгерного типа 16, а на концах вытяжных труб 15 смонтированы вытяжные дефлекторы 17 известной конструкции.
Перепад давления на входных 16 и выходных 17 дефлекторах обеспечивает скоростной напор в трубной воздушной системе, и холодный наружный воздух поступает в придонные воздушные трубы 10 и боковые воздушные трубы 11, обеспечивая промерзание илоотстойника, который имеет форму линзы, ограниченной по периметру эфельным слоем с высоким влагосодержанием, замороженным на первой стадии, а сверху - замороженной массой эфельного слоя отвала.
Влажная ило-эфельная масса илоотстойника при замерзании имеет ограниченные возможности расширения и деформации, в силу выше указанных причин, что обеспечивает возникновение высоких давлений и поверхностных напряжений в нем.
Совместное воздействие давления и криогенных условий обеспечит увеличение дисперсности фракций золота за счет поверхностной диффузии металла при периодических циклах замораживания и оттаивания.
После проведения нескольких циклов «проморозки-протаивания» (желательно не менее 10-20) отвал готовят к отработке - удаляют обсадные трубы из скважин 9, удаляют средства охлаждения-разогрева илоотстойника (позиции 7-19), после чего бульдозером (или драглайном) удаляют верхнюю часть отвала. Ее нижнюю границу выявляют отбором проб из нескольких контрольных скважин 9 перед их демонтажом. Далее известным образом, с использованием известных технических средств, например, с помощью промприбора, перерабатывают материал, локализованный в объеме илоотстойника 5, и извлекают золотосодержащий компонент.