Проблемы и перспективы внедрения комбинированных физико-технических и физико-химических технологий для комплексного освоения медно-колчеданных месторождений Урала

УДК 622.27.326 М.В. Рыльникова

ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ВНЕДРЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ МЕДНОКОЛЧЕДАННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ УРАЛА

ТГ роблема восполнения минерально-сырьевой базы, экологизации горного производства имеет актуальное значение для промышленных регионов и большинства предприятий, являющихся основными поставщиками цветных металлов на отечественный и мировой рынок. Анализ сложившейся горнотехнической ситуации свидетельствует, что принятые в проектах физикотехнические технологии не позволяют вовлечь в эффективную отработку все разведанные запасы медно-колчеданных руд. В подземном пространстве за проектным контуром в бортах и основании карьеров остаются выклинивающиеся в массиве и распределённые по периметру рудные участки; в шахтных полях не полностью отрабатываются бедные руды и маломощные рудные залежи, отдалённые локальные рудные тела, а также запасы, расположенные в неблагоприятных горно-геологических условиях.

Так, на Узельгинском медно-колчеданном месторождении наличие сложных минеральных форм, вредных примесей и низкое качество колчеданного сырья, непригодного для флотационного обогащения, позволило вовлечь в разработку только 9 рудных тел из 64, представленных на месторождении. На Октябрьском месторождении выделено более 60 рудных тел, из которых 5 крупных залежей отнесено к забалансовым. Бедные руды Узельгинского, Октябрьского и других месторождений остаются на месте залегания и, в конечном счете, в недрах теряются существенные объемы ценных компонентов. Учитывая, что запасы некондиционных руд на предприятиях, разрабатывающих медно-колчеданные месторождения значительны, расположены в благоприятных горногеологических и гидрогеологических условиях, к отдельным из них уже проведены вскрывающие и подготовительные выработки, во-

прос изыскания эффективных технологий вовлечения данных залежей в промышленное освоение является весьма актуальным.

Наряду с рациональным использованием полезных ископаемых недр, особое значение имеет вовлечение в эксплуатацию некондиционных руд и переработка техногенного сырья горнометаллургического комплекса (хвосты обогатительных фабрик и металлургические шлаки, пиритный концентрат, отвалы бедных руд и вскрышных пород, просыпи рентгенометрической сепарации, рудничные воды и др.), экономический потенциал которых весьма высок. Многие техногенные отходы характеризуются промышленно-значимым содержанием ценных компонентов и образуются в индустриальных зонах с развитой инфраструктурой, что создает предпосылки их полной утилизации на предприятиях-продуцентах этого сырья. Остро проблема утилизации отходов стоит в промышленных регионах, где деятельность горных предприятий за многолетний период привела к значительному истощению запасов богатых руд, снижению содержания ценных компонентов в эксплуатируемых запасах и накоплению крупномасштабных хранилищ отходов промышленного производства (табл. 1, 2).

Длительное развитие в нашей стране горнодобывающей промышленности по отраслевому принципу предполагало формирование предприятий, ориентированных на извлечение основных компонентов, содержащихся в рудах месторождения. Вопросы оценки содержания и извлечения попутных ценных компонентов часто в проектах на разработку месторождений либо не ставились, либо не решались, ввиду их явной неэффективности.

Ярким примером подтверждения этого является опыт эксплуатации медно-колчеданных месторождений Урала, где извлекали только основные компоненты - медь, цинк, серу и дополнительно оценивали содержание в соответствующих концентратах золота и серебра. Химического анализа на содержание в рудах и отходах их переработки редких элементов, платиноидов не производилось. Поэтому драгоценные металлы и редкоземельные элементы, присутствующие в рудах преимущественно в трудно раскрываемых сульфидах, поступали в хвосты, размещаемые и накапливаемые в хвостохранилищах (табл. 3).

Таблица 1

Характеристика хвостохранилищ Южного Урала

Наименование Ед. изм. БМСК Учалинский ГОК Бурибаевское РУ Гайский ГОК

Новое Старое

1. Площадь по отводу земли га 146,2 23,5 113 31 190

2. Мощность вертикальная м до 25 до 22 до 21 до18 до40

3. Длина м 1560 740 1700 600 -

4. Ширина м 600 350 750 600 -

5. Период эксплуатации г 1966-2005 1959-1966 1969-2010 1942-1970, до 2010

6. Ориентировочные запасы 14 4,5 1971-наст.вр.

7. Содержание основных элементов: млн т 40,8 5,5 40

медь % 0,2 0,24 0,22 0,45 0,3

цинк % 0,52 0,43 0,63 0,21 0,23

сера % 21,2 26,5 23,1 25,59 26,6

железо % 34,3 28,0 29,49 23,12 13,87

золото г/т 0,8 1 0,6 1,2 0,7

серебро г/т 18 20 8,5 10,3 4,0

Таблица 2

Содержание основныш ценны/х компонентов в хранилищах отходов обогащения руд Южного Урала____________________

Хвосты обогатительных фабрик Содержание элементов

Медь тыс.т Цинк тыс.т Сера тыс.т Железо тыс.т Золото т Серебро т

Гайская 120 92 10640 5548 32 160

Бурибаевская 24,84 11,549 1412,6 1276,2 6,62 56,80

Учалинская 89,7 257,04 6306,30 8050,8 16,38 232,05

Сибайская 34,40 89,44 3646,40 5899,6 13,84 344

S6

Всего: 239,30 326,83 22005,30 20774,6 68,84 792,85

Таблица 3

Усредненный химический состав отходов переработки руд Учалинского и Узельгинского рудныш полей

Си Zn Au АЙ са 8е Те 1п

0,3 0,8 1,16 17,44 3,50 4,50 0,50 0,62

% % г/т г/т % % % %

РЬ В St Мп Со N1 Нг Fe

0,04 1,35 3,35 0,04 0,001 0,01 0,01 27,52

% % % % % % % %

Вовлечение всех указанных минеральных ресурсов в эффективное промышленное использование с комплексным извлечением ценных компонентов возможно только сочетанием традиционного открытого и подземного способов добычи и процессов физикохимической геотехнологии - кучного и подземного выщелачивания ценных компонентов из некондиционного сырья. Использование в виде технологического пространства для реализации процессов физико-химических технологий выработанного пространства карьера, отработанных камер, применение для вскрытия запасов ранее пройденных открытых и подземных выработок позволяет существенно повысить экономическую эффективность и экологичность горных работ, а также снизить уровень кондиций на вовлекаемые в разработку природные и техногенные минеральные ресурсы. Обязательным условием комплексного освоения является также использование отходов в технологии закладки отработанных подземных камер.

В современных условиях комплексное освоение недр предусматривает совокупное наличие двух неотъемлемых условий - это полное безотходное (малоотходное) использование добываемой горной массы и извлечение ее рациональным сочетанием технологических процессов и оборудования различных способов добычи. Причем, в развитии идей М.И. Агошкова, одно без другого либо невозможно, либо бессмысленно, ввиду явной неэффективности вовлечения в промышленную разработку всех запасов месторождения какой-либо монотехнологией.

Реализация комбинированных технологий комплексного использования минеральных ресурсов обеспечивает повышение качества освоения недр только в случае учета всех перечисленных позиций в базовом проекте на освоение запасов месторождения комбинированной геотехнологией с оптимизацией во времени и про-

странстве последовательности применения различных технологий и способов добычи на осваиваемом участке недр.

Под комбинированной геотехнологией применительно к добыче и переработке твердых полезных ископаемых понимается совокупность способов, методов, процессов и операций воздействия на горный массив или природную и техногенную минеральную массу, основанных на сочетании технологических процессов и оборудования открытых, подземных горных работ и физикохимических методов добычи и переработки минеральных ресурсов с целью извлечения и полезного эффективного использования полезных ископаемых для нужд народного хозяйства.

Комбинирование технологий не должно быть вынужденной мерой на этапе затухания горных работ одним из способов добычи, а должно стать обязательным постулатом, введенным в теорию проектирования комплексного освоения участка недр. Осваиваемый участок недр включает залежи руды и сопутствующего нерудного сырья, накопленные в виде отходов горнометаллургического производства техногенные образования, полости, минерализованные промышленные стоки и газы, в совокупности представляющие объект проектирования комбинированных геотехнологий. При этом в едином комплексном проекте решаются вопросы поэтапного вовлечения в эксплуатацию отдельных участков недр с оптимизацией во времени и пространстве последовательности реализации сочетаний процессов комбинированной геотехнологии отработки природных залежей и техногенных образований.

Таким образом, в проекте на освоение участка недр должны быть решены вопросы комплексного использования всех полезных компонентов, содержащихся в извлекаемой на различных этапах горных работ горной массе, при временном и пространственном установлении рациональных сочетаний известных и перспективных физико-химических геотехнологий, преимущественно малоотходных, для вовлечения в эффективную отработку отдельных участков недр, переработки и использования накопившихся отходов производства и сформированных открытыми и подземными работами выработанных пространств. Это необходимое и достаточное условие комплексного освоения недр.

Современная концепция проектирования комплексного освоения и сохранения недр Земли предусматривает применение комби-

нированных технологий с определением в едином проекте последовательности вовлечения отдельных участков недр и техногенных образований в эксплуатацию рациональным сочетанием процессов открытых, подземных и физико-химических геотехнологий, обеспечивающих:

- наиболее полное, но экономически оправданное извлечение из недр основных и попутных полезных ископаемых, в том числе различных по составу и качеству, попутных компонентов из добываемой горной массы на всех стадиях ее переработки;

- рациональное использование в промышленных и хозяйственных целях вскрышных пород и пород попутной добычи, извлекаемых из недр при добыче полезных ископаемых;

- полезное использование пустот, создаваемых в результате извлечения из недр полезных ископаемых, а также тепла земных недр, глубинных газов, подземных вод;

- вовлечение в эффективную промышленную эксплуатацию накопленных в техногенных образованиях и формирующихся отходов производства;

- повышение качества минерального сырья в недрах и на земной поверхности путем проведения специальных геотехнологиче-ских процессов подготовки природных и техногенных залежей к эксплуатации;

- сохранение саморегулирующей и самовосстанавливающей функции недр за счет установления допустимых технологий и масштабов освоения недр и определения необходимых и достаточных процессов рекультивации.

В свете выше обозначенного подхода к освоению ресурсов недр представляется перспективным формирование единого горнообогатительного комплекса по добыче и глубокой переработке медно-колчеданного сырья, где на одной промышленной площадке будут размещены рудник, обогатительная фабрика, площадка для кучного выщелачивания и цех гидрометаллургической переработки продуктивных растворов, а также закладочный комплекс по утилизации отходов кучного выщелачивания в закладке (рис. 1).

Рис. 1. Принципиальная технологическая схема комплексного освоения медно-колчеданных месторождений в рамках единого горно-перерабатывающего комплекса: 1 - земснаряд; 2 - пульповод; 3 - обогатительная фабрика; 4 - дозирующий бункер; 5 - доставка компонентов шихты из склада (6); 7 - окомкователь; 8 - система конвейеров; 9, 10 - временный склад окатышей; 11 - приемный бункер; 12 - штабель окатанного материала; 13 - выработки для сбора продуктивного раствора; 14 -комплекс переработки продуктивного раствора; 15 - консольный штабелеукладчик; 16 и 18 - формируемый и выщелачиваемый штабель окатанного материала; 17 - склад отходов выщелачивания (после извлечения полезных компонентов); 19 - система орошения; 20 - прудки продуктивного и маточного растворов; 21 - закладочный комплекс; 22 - копер; 23 - искусственный массив на основе твердеющей закладочной смеси; 24 - массив окатышей; 25 - формируемый массив гидравлической закладки.

Так, применительно к освоению некондиционных окисленных руд месторождений перспективными технологиями вовлечения забалансовых запасов в эффективную отработку являются физикохимические технологии - выщелачивание руд на месте залегания с последующим извлечением ценных компонентов с применением методов гидрометаллургии.

Преимущественно, эффективность данного способа добычи обуславливается благоприятным расположением рудных тел в зоне вскрывающих выработок. В зависимости от размеров рудных тел и их формы предлагается два варианта системы подземного выщелачивания, представленных на рис. 2 а, б.

В устойчивых рудах и достаточно крепких вмещающих породах при ограниченной горизонтальной мощности рудного тела (до 25 м) бурение скважин для орошения массива возможно осуществлять из вертикальных буровых выработок (рис. 2, а). Процесс орошения массива для выщелачивания обеспечивается созданием компактной и легко демонтирующейся системы орошения с обоснованием рациональных режимов и параметров процессов фильтрации растворителя, циркуляции и регенерации продуктивных растворов.

Если руды неустойчивые, или залежи имеют большую мощность (25 м и более), орошение необходимо проводить через скважины, пробуренные к массиву подготовленной к выщелачиванию руды из подготовительного штрека или с поверхности (рис. 2, б). К преимуществам данного варианта относится возможность подачи выщелачивающего раствора под давлением, что повышает доступ раствора к рудным минералам, расположенным преимущественно в трещинах. Недостатком данного способа является повышенный объём подготовительно-нарезных работ, а также сложность управления движением растворов.

Вопросы комплексного и эффективного использования минерального сырья приобретают особое значение в связи с ведущей ролью минерально-сырьевой базы в формировании бюджета России. Проведенный анализ минерально-сырьевой базы Южного Урала показал, что медно-колчеданные месторождения и техногенные отходы от их разработки можно рассматривать не только как источник основных традиционных полезных компонентов, таких как медь, цинк, благородные металлы, но и с точки зрения извле-

чения широкого спектра редкоземельных и рассеянных элементов (табл. 4).

Рис. 2. Схема подготовки локального рудного тела к подземному выщелачиванию: а - с использованием вертикальных выработок (1 - буровой восстающий; 2 -буровая заходка; 3 - восстающий для оценки раскрытия трещин; 4 - отрезной орт; 5 - буровой штрек; 6 - погрузочный орт; 7 емкость для сбора продуктивного раствора; 8 - камера под лебедку); б - схема подготовки локального рудного тела средней мощности к подземному выщелачиванию (1 - вентиляционно-ходовой

восстающий; 2 - буровой штрек, 3 - штрек для подачи раствора выщелачивания; 4 — выработки для сбора и транспортировки продуктивного раствора; 5 - прудок)

102

Таблица 4

Характеристика ценных компонентов в рудах медно-колчеданных месторождений Южного Урала

103

Сибайское 19384* Открытый 0,9 1,38 0,5 5 Бе, Те, Сё,'Со, германий галлий, 1п

Нижняя залежь Сибайского месторождения 6419,4 Подземный 3,99 0,1 0,57 4,75 Бе, Сё, Те, Со, германий, галлий,1п

Бакр-Узяк Подземный Открытый 1,57

Бурибаевский рудный район

Октябрьское 9700 Подземный 2,5-6,5 14,0

Юбилейное 106000 Не отрабатывается 1,8 1,14 13,9

Подольское 80778 63315,7 Не отрабатывается 2,27 2,09 2 20 селен, теллур, индий, галлий, кадмий, таллий, германий, висмут, рений, свинец, молибден, кобальт, барий

Северно-Подольское 4460 Не отрабатывается 3,5 3

Восточно- Подольское 5563 Не отрабатывается 1,8

Гайский рудный район

Гайское 327000* Комбинированный 4,51 1,68 До 6,5 До 151, 2 Сё, 1п, 8е, Те, Со

Летнее 7443 Открытый 2,7 1,2 0,5- 0,6 1,2- 54 Бе, Те,Сё, Со, галлий, таллий, 1п

Осеннее 7305 Комбинированный 3,86 0,79 0,03 20,8 Бе, Те, галлий, таллий, 1п Сё, Со, германий, кобальт

Рис. 3. Схема выщелачивания ценных компонентов из окомкованных хвостов обогащения в выработанном пространстве отработанного карьера 1 - вентиляционный штрек, 2 - вентиляционно-ходовой восстающий, 3 - доставочный штрек, 4 - рудоспуск; 5 - откаточный штрек; 6 - штабель окатанного материала; 7 - система орошения; 8 - искусственная потолочина; 9 - прудок для сбора продуктивного раствора

Применительно к разработке техногенных образований и переработке техногенного сырья разработаны технологии кучного выщелачивания отходов обогащения медно-колчеданных руд после предварительного окомкования. Оригинальный состав шихты для окомкования позволяет получать окатыши устойчивые в кислых средах, весьма пористые, обладающие прочностью, необходимой для формирования штабелей высотой до 6 м. Размещение штабелей целесообразно производить в выработанном пространстве отработанного карьера (рис. 3), что позволит свести к минимуму экологическое воздействие физико-химических технологий на окружающую среду.

Обязательным условием реализации технологической схемы комплексного освоения является использование отходов выщелачивания в технологии закладки отработанных подземных камер. Причем, ввиду простоты технологической схемы приготовления твердеющей закладки из отходов выщелачиванию (отсутствует не-

обходимость дробления и измельчения компонентов закладочной смеси), закладочный комплекс может быть размещен также непосредственно на берме в основании карьера, откуда закладочная смесь по скважине подается в выработанное пространство очистных камер подземного рудника.

Комплексное использование минерально-сырьевых ресурсов основанное на: снижении эксплутационных затрат на получение конечной продукции за счет внедрения новых инновационных технологий, обеспечивающих извлечение большего количества полезных компонентов из единицы исходного сырья; экономии капитальных вложений на реконструкцию и строительство новых горно-обогатительных объектов, разведку новых месторождений полезных ископаемых; сокращении площадей земельных угодий, отводимых для размещения отходов горно-металлургического производства; сокращении экологических платежей и улучшении состояния окружающей природной среды способствует, с одной стороны, повышению социально-экономической эффективности природопользования, с другой - росту конкурентоспособности недропользователей на мировом рынке сырья,

— Коротко об авторах -------------------------------------------

Рыльникова М.В. - доктор технических наук, главный научный сотрудник, Институт проблем комплексного освоения недр.