Способ подземного выщелачивания металлов из сульфидсодержащего минерального сырья
METHOD FOR UNDERGROUND LEACHING OF METALS FROM SULFIDE-CONTAINING MINERAL RAW MATERIALS

Изобретение относится к области горного дела и, в частности, к комплексному освоению и использованию недр месторождений полезных ископаемых.
Известны способы подземного выщелачивания металлов, предусматривающие скважинное выщелачивание с поверхности при различных методах воздействия на горный массив (Абдульманов И.Г., Бровин К.Г., Лаверов Н.П. и др. Подземное выщелачивание полиэлементных руд. Издательство Академии горных наук, Москва, 1998 г., с.115, с.388; Справочник по геотехнологии Урана / [В. И. Белецкий и др.] // Под ред. Д. И. Скороварова. - М. : Энергоатомиздат, 1997. - 672 с. 486). Эти способы, несмотря на широкие возможности реализации химических, биохимических реакций и гидродинамических процессов, ограниченно применимы на месторождениях скальных руд ввиду отсутствия, либо невысокой проницаемости скальных руд для растворов и газов.
Известны способы шахтного подземного выщелачивания и блочного подземного выщелачивания скальных руд, лишенные недостатков скважинного выщелачивания с поверхности (Лунев Л.Н. Шахтные системы разработки месторождений урана подземным выщелачиванием. М., Энергоиздат, 1982 г.; Мосинец В.Н. и др. Строительство и эксплуатация рудников подземного выщелачивания. М., Недра, 1987, с.53-110). При таких способах блочного подземного выщелачивания при отработке залежей полезных ископаемых, для подачи выщелачивающих растворов в блок обрушенных руд бурят нисходящие оросительные скважины в верхнюю часть замагазинированной в блоке руды через надштрековый целик, оставляемый над выработками сборного горизонта (см., например, SU 705819), либо выщелачивающий раствор в замагазинированную руду подают по пробуренным восстающим закачным скважинам в смеси с воздухом в режиме гидродинамической кавитации (см. RU 2506423 С1). При этом скважины бурят по руде, а целик руды, в котором бурят нагнетающие скважины, оставляют на месте залегания в виде потерь, что является естественным способом сохранения целостности горнотехнической конструкции. В остальных случаях, чаще всего, раствор подают в режиме орошения или нагнетания сверху. На блоки выщелачивания воздействуют различными внешними энергетическими воздействиями, газами, изменяют гидродинамические режимы и т.п. (см., например, RU 2247834 С1).
Недостатками описанных в литературе способов является их высокая экологическая опасность ввиду риска неконтролируемой и, тем более, массовой утечки растворов за пределы блоков подземного выщелачивания, следовательно, дренажа растворов в окружающую среду (Иванов В.Г., Камнев Е.Н., Смагин А.П. Комплекс мероприятий по предотвращению и контролю за загрязнением окружающей среды // в Кн. Физико-химическая геотехнология урана на скальных месторождениях. М.: Атомная энергетика, 2009, с.28). Кроме этого, недостатком является то, что блочное выщелачивание влечет огромные потери ценных компонентов, так как блок выщелачиваемой руды окружен содержащими ценные компоненты вмещающими породами и рудами, являющимися естественным ограничителем блоков взорванной горной массы, причем объем вмещающих руд и пород достигает 60 % от объема выщелачиваемых руд.
Известен способ комбинированной разработки руд (RU 2361077 С1, опубл. 10.07.2009), который включает выемку богатой руды и выщелачивание металлов из оставшейся части руды на месте ее залегания. Выемку богатой руды осуществляют по схеме камера-целик. Образуемые первичные камеры формируют с геометрическими параметрами 10 х 10 м (при отработке жил – 2 х 5 м) меньшими, чем у целиков. Производят закладку камер твердеющей смесью, а образуемое последующей выемкой целиков пространство заполняют дезинтегрированной («сухой») закладкой, состоящей из хвостов сортировки и/или обогащения богатой руды и рядовой руды, полученной при проходке подготовительных и нарезных выработок. Производят взрывание оставшейся рядовой руды, а выщелачивание металлов из рядовой руды и материалов закладки проводят в две стадии: на первой - шахтными водами, насыщаемыми кислородом воздуха с подачей в них штаммов тионовых бактерий, а на второй - растворами основных активированных выщелачивающих реагентов. К недостаткам данного технического решения относятся необходимость выщелачивания крупнокусковых руд, подготавливаемых к выщелачиванию взрывным способом. Известно, что для эффективного выщелачивания крупность сырья должна быть минимальна, а при подземном выщелачивании скальных руд наличие в отбитой руде более 15-20 % класса 200-150 мм может в ряде случаев резко ухудшить качественные показатели добычи и повысить себестоимость готовой продукции до границ ее полной неприемлемости (см. Бубнов В.К. и др. Актуальные вопросы добычи цветных, редких и благородных металлов. Акмола, 1995. - с.187).
0
Известен способ подземного выщелачивания полезных компонентов из сырья (RU 2429303 С2, опубл. 20.09.2011), предусматривающий герметизацию камеры до создания в ней условий, аналогичных автоклавному режиму выщелачивания, прокладку в пространстве камеры трубопроводов для подачи воздуха и воды под давлением, загрузку сырья и проведение автоклавного выщелачивания такого сырья. Причем, автоклавный режим выщелачивания сырья закладки и повышенное давление выщелачивающего раствора в закладке из сырья, поддерживаемое в течение требуемого времени перекрытием задвижек патрубков, осуществляется без расхода энергоносителей. К недостаткам данного способа относится ограниченная область его применения – только при разработке малых рудных месторождений низко производительными системами разработки с магазинированием руды, системами подэтажных штреков и т.п., так как при камерных системах разработки средних и крупных рудных месторождений доступ в отработанные камеры для их герметизации и прокладки трубопроводов невозможен ввиду риска гибели рабочих и утраты оборудования и запрещен по условиям безопасности. К недостаткам способа также относится необходимость монтажа вручную нагнетательных трубопроводов и патрубков под кровлей камеры, что создает препятствия для равномерной подачи воздуха в массив по схеме сверху-вниз, а также риск утраты сети трубопроводов при выщелачивании сульфидных руд ввиду их саморазогрева до температур 900С и выше. К недостаткам изобретения относятся высокие затраты на герметизацию подземных камер.
Наиболее близким к предложенному способу по технической сущности и достигаемому результату является способ выщелачивания окатышей, полученных из отвальных хвостов, который является частью способа комплексного освоения месторождений полиметаллических руд (RU 2327873 C1, опубл.27.06.2008 – прототип), по которому осуществляют выемку руды из камеры первой очереди и перерабатывают ее с получением концентрата и отвальных хвостов, хвосты перерабатывают в окатыши, из полученных окатышей формируют два технологических потока, первый поток окатышей подвергают кучному выщелачиванию, второй поток окатышей выдерживают до набора требуемых механических характеристик, после завершения процесса выщелачивания окатыши первого технологического потока смешивают с вяжущим и водой с получением закладочной смеси, которую направляют в камеры первой очереди до их заполнения, после затвердевания закладочной смеси осуществляют выемку руды из камеры второй очереди, упрочнение и подготовку днища данной камеры твердеющей смесью, приготовленной на основе отходов кучного выщелачивания, обуривают днище камеры второй очереди системой скважин для сбора и циркуляции растворов, подают в камеру второй очереди окатыши второго технологического потока и осуществляют последующее подземное выщелачивание упомянутых окатышей путем орошения их раствором для выщелачивания и отвода продуктивного раствора, а после завершения выщелачивания в камеру второй очереди добавляют закладочную смесь до заполнения камеры.
Недостатком указанного способа является то, что он не предполагает выщелачивания руд, а ориентирован на выщелачивание легкорастворимых гранул из хвостов обогащения, поэтому способ не предусматривает подачу в массив газов для управления процессами бактериального и кислородного окисления сульфидов, без которых выщелачивание металлов из сульфидных руд невозможно [A Review on Novel Techniques for Chalcopyrite Ore Processing / Alafara A. Baba // International Journal of Mining Engineering and Mineral Processing 2012, 1(1): 1-16. DOI: 10.5923/j.mining.20120101.01; Rodrı´guez Y. New information on the pyrite bioleaching mechanism at low and high temperature // Hydrometallurgy, 2003.- V.71, pp. 37–46 doi:10.1016/S0304-386X(03)00172-5]. Недостатком способа по прототипу также является то, что он не предусматривает отвода газов, выделяющихся при выщелачивании сульфидов.
Технической проблемой изобретения является расширение диапазона технологических возможностей процесса подземного выщелачивания сульфидсодержащего минерального сырья путем обеспечения возможности выщелачивания дробленых сульфидных руд любой крупности и вещественного состава, некондиционных сульфидных руд, отходов добычи и переработки сульфидных руд.
Технический результат, позволяющий решить указанную проблему, заключается в повышении эффективности выщелачивания сульфидсодержащего минерального сырья путем обеспечения предварительного образования легкорастворимых окисленных форм указанного сырья.
Технический результат достигается тем, что в способе подземного выщелачивания металлов из сульфидсодержащего минерального сырья по первому варианту, заключающемуся в том, что в камере-реакторе, которая образована путем выемки руды и стенки которой образованы затвердевшей закладкой, возводят днище из закладочной смеси, загружают сырье в камеру-реактор, бурят в возведенном днище скважины для отвода продуктивного раствора, орошают сырье сверху раствором для выщелачивания и отводят продуктивный раствор через скважины в днище, согласно изобретению после загрузки сырья предварительно бурят в возведенном днище скважины для подачи окисляющего газа, после чего осуществляют предварительное окисление сырья окисляющим газом в высокотемпературном режиме в диапазоне температур от 200 до 900°С, при этом подают окисляющий газ через соответствующие скважины в днище и отводят отходящие серосодержащие газы из верхней части камеры, а бурение в возведенном днище скважин для отвода продуктивного раствора осуществляют после окончания процесса окисления.
Технический результат также достигается способом подземного выщелачивания металлов из сульфидсодержащего минерального сырья по второму варианту, заключающемуся в том, что в камере-реакторе, которая образована путем выемки руды и стенки которой образованы затвердевшей закладкой, возводят днище из закладочной смеси, загружают сырье в камеру-реактор, бурят в возведенном днище скважины для отвода продуктивного раствора, орошают сырье сверху раствором для выщелачивания и отводят продуктивный раствор через скважины в днище, отличающийся тем, что после загрузки сырья бурят в днище также скважины для подачи окисляющего газа и скважины для отвода избытка растворов, после чего осуществляют предварительное окисление сырья окисляющим газом в низкотемпературном режиме в диапазоне температур от 30 до 90°С, при этом окисляющий газ подают через соответствующие скважины в днище, одновременно подают сверху раствор для выщелачивания с добавками, интенсифицирующими процесс окисления, при этом обеспечивают интенсивность подачи раствора достаточную для насыщения сырья и протекания процесса окисления,  и отводят отходящие серосодержащие газы из верхней части камеры и отводят избыток растворов через соответствующие скважины, а активное орошение сырья сверху раствором для выщелачивания и отвод продуктивного раствора осуществляют после окончания процесса окисления.
В обоих вариантах способа в качестве сульфидсодержащего минерального сырья используют дроблёную сульфидсодержащую руду, или некондиционную сульфидсодержащую руду, или отходы её добычи, или отходы её переработки.
При этом в качестве окисляющего газа используют кислородсодержащий газ, в частности, воздух.
Кроме того, подачу растворов для орошения осуществляют через форсунки, установленные в заезде вышележащего горизонта.
Кроме того, отвод серосодержащих газов осуществляют по трубопроводу, расположенному в заезде вышележащего горизонта.
Предложенный способ обеспечивает вовлечение в разработку запасов сульфидных руд, ранее относимых к забалансовым, создание условий для окисления сульфидных минералов – задания необходимой для выщелачивания крупности, генерировании тепла и развития бактерий, равномерной подачи и улавливания газов и растворов.
Данный подход позволяет обеспечить загрузку в камеру второй очереди – камеру-реактор – дробленых сульфидных руд любой крупности и вещественного состава, обеспечить генерирование тепла за счет естественного саморазогрева сульфидных руд, создать условия для развития микроорганизмов, интенсифицирующих процессы окисления, обеспечить равномерную подачу газов снизу по всей площади массива дробленой руды, орошение и сбор рабочих растворов.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана камера-реактор для подземного выщелачивания в разрезе.
На фиг. 2 – параметры высокотемпературного окисления, характеризующие зависимость убыли массы колчеданных руд Δm, % от температуры окисления в камере-реакторе.
На фиг. 3 – параметры выщелачивания после высокотемпературного окисления смешанной медно-колчеданной руды, характеризующие зависимость убыли массы исследуемых обожженных фракций от температуры в диапазоне от 100°С (контрольно) до 900°С после контактирования с дистиллированной водой и раствором серной кислоты с рН=1,5.
На фиг. 4 – параметры выщелачивания после высокотемпературного окисления медно-колчеданной руды в течение 2,5 часов, характеризующие зависимость содержания меди от температуры.
На фиг. 5 – график зависимости содержания меди в продуктивном растворе от времени выщелачивания после низкотемпературного окисления.
На фиг. 6 – график зависимости содержания цинка в продуктивном растворе от времени выщелачивания после низкотемпературного окисления.
Способ подземного выщелачивания металлов из сульфидсодержащего минерального сырья осуществляется следующим образом
Разработку месторождения полезного ископаемого ведут подземным способом камерными системами разработки с закладкой выработанного пространства двумя или более очередями (через целик). После выемки камер первой очереди их закладывают твердеющей закладкой, при этом возводят целики на основе закладочного бетона, которые в будущем будут являться стенками камер-реакторов. После выемки руды из камер второй очереди в нижней части этих камер устанавливают перемычки, препятствующие растеканию закладочной смеси по выработкам. После установки перемычек в камере второй очереди – камере-реакторе – возводят упрочненное днище путем подачи закладочной смеси в камеру-реактор сверху вниз из заездов вышележащего горизонта.
Камера-реактор для подземного выщелачивания включает стенки 1 на основе твердеющей смеси, упрочненное днище 2 на основе твердеющей смеси, обуренное веерами скважин 5 для подачи окисляющего газа и отвода растворов.
После набора упрочненным днищем нормативной прочности камеру-реактор загружают сырьем для выщелачивания, отсыпая сырье также сверху-вниз через заезды 3. Таким образом формируют выщелачиваемый массив 4 из руд или отходов их добычи и переработки. В дальнейшем способ реализуют по алгоритму, зависящему от необходимого подготовительного режима выщелачивания, это:
– высокотемпературное окисление (первый вариант);
-  низкотемпературное окисление (второй вариант).
В способе выщелачивания по первому варианту с высокотемпературным окислением до начала его реализации в возведенном днище 2 камеры-реактора бурят скважины 5 для подачи окисляющего газа, главным образом, кислородсодержащего газа (в частности, воздуха). Устья скважин 5, либо скважины 5 полностью обсаживаются трубами, пригодными для контакта с кислородсодержащим газом. Подают кислородсодержащий газ через систему трубопроводов, размещенную в заездах 6 нижележащего горизонта и скважины 5, достигая требуемую степень окисления руды. Улавливание отходящих серосодержащих газов в ходе активного окисления производится в заездах 3 вышележащего горизонта. Для этого в заездах 3 устанавливают перемычку с отверстием, в которое врезается трубопровод для отвода газов, которые перерабатываются с получением серной кислоты.
В дальнейшем, полученная серная кислота используется для подземного выщелачивания этих же руд, либо сырья, расположенного в соседних уже подготовленных камерах. После прекращения активного высокотемпературного окисления днище 2 камеры-реактора обуривают дополнительно системами скважин 5 для сбора растворов, а вышележащий горизонт через заезды 3 оборудуют системой подачи растворов в камеру-реактор сверху по тому же принципу, что и отвод газов, но в перемычку врезают форсунки для разбрызгивания растворов.
После подготовки системы орошения и сбора растворов осуществляют активное выщелачивание ранее окисленного сырья, представленного легкорастворимыми минеральными формами. Работа камеры-реактора при этом непрерывна, продолжается до достижения требуемой степени окисления минералов и фазовых переходов.
0
0
В лабораторных экспериментах моделировали процесс высокотемпературного окисления. Для этого смешанные медно-колчеданные руды обжигали в присутствии кислорода воздуха при температурах от 200 до 900С с шагом в 100С. Таким образом, изучалось 8 партий смешанных руд. При высокотемпературном окислении в модельных условиях фиксировали убыль массы минерального вещества  от исходной массы пробы, свидетельствующую об интенсивности фазовых переходов, а также показывающую, какое количество отходящего газа необходимо улавливать при работе камер-реакторов. На фиг. 2 представлена зависимость убыли массы Δm, % от температуры окисления.
Эксперименты показали, что при подаче снизу окисляющего газа, главным образом, содержащего кислород, в камерах-реакторах возможно эффективное окисление руды с образованием легкорастворимых окисленных форм.
0
3
После завершения высокотемпературного окисления каждую из 8-ми проб подвергали выщелачиванию. Для этого через окисленную руду в течение 2,5 часов пропускали сернокислый раствор с рН=1,5 и, для сравнения, воду. После выщелачивания руду высушивали, взвешивали и определяли убыль массы. Установлено, что для руд, окисленных при температуре до 800С, убыль массы достигает 12 %, что говорит о хорошей растворимости (фиг. 3). При этом растворы весьма насыщены по меди – содержание металла достигает 1,2 г/дм (фиг.4), соответственно, является промышленным. Такие растворы могут быть эффективно переработаны любым гидрометаллургическим способом с извлечением металла. Если поступающие по системам скважин 5 для сбора растворов растворы не имеют промышленного содержания металлов, достаточного для переработки, собранные растворы по системе трубопроводов подают вновь на орошение рудного сырья в цикличном режиме. Перед этим проверяют и, при необходимости, доводят до нормативных требований химический состав выщелачивающих растворов.
При втором варианте способа выщелачивания с низкотемпературным окислением после загрузки сырья в камеру-ректор в возведенном днище 2 бурят скважины 5 для подачи в массив окисляющего газа и для сбора избытка растворов. Скважины 5, либо только устья скважин обсаживают. В камеру-реактор подают:
- снизу, через скважины 5, пробуренные в днище 2 – необходимое количество окисляющего кислородсодержащего газа, главным образом, воздуха. Возможна либо предпочтительна подача сжатого воздуха из общешахтной сети сжатого воздуха;
- сверху – раствор для выщелачивания, содержащий интенсифицирующие химические, либо биохимические добавки (штаммы бактерий, архей и т.п.), способствующие интенсификации процесса выщелачивания, либо осуществляют комплекс интенсифицирующих методов воздействия.
Температура и интенсивность подачи окисляющих газов в массив окисляемого сырья, а также температура подаваемого раствора определяются требованиями к протеканию химических реакций, либо обеспечения нормальной жизнедеятельности микроорганизмов в аэробном, либо анаэробном режиме (регулируется одновременно - подачей газов снизу и растворов сверху). Раствор подают в ограниченном капельном режиме в количестве, достаточном для насыщения им окисляемого сырья. Избыток раствора отводят через скважины 5 для отвода избытка растворов. Дело в том, что даже при орошении в капельном, ограниченном режиме некоторое количество растворов будет поступать через днище практически сразу же, поэтому необходимо отводить избыток растворов.
Реализуют низкотемпературное окисление. Причем учитывают, что ввиду длительности низкотемпературного окисления работу камеры-реактора могут осуществлять в дискретном режиме. Периодически могут осуществлять такие технологические процессы, как: подогрев растворов, промывка рудной массы, подача растворов иного химического состава для растворения пассивирующих пленок, подача культур микроорганизмов, подача окисляющих газов, подача горячих газов, подача иных газов.
После длительного низкотемпературного окисления сульфиды переходят, преимущественно, во вторичные сульфиды и сульфатные формы, являющиеся легкорастворимыми. После таких фазовых переходов минералов в легкорастворимые формы выщелачивание осуществляют в рабочем режиме активного выщелачивания, как описано выше.
0
В ходе моделирования процесса низкотемпературного окисления смешанных медно-цинковых руд в лабораторных условиях исследовали механизм низкотемпературного окисления путем подачи закисляющего раствора сверху и поступления воздуха снизу через массив смешанных медно-цинковых руд. При этом в климатической камере поддерживали температуру, аналогичную диапазону температур низкотемпературного окисления – около 60С. Раствор для предварительного окисления, содержащий химический реагент, подавали в ограниченном капельном режиме сверху, а воздух в массив загруженной руды -  снизу.
3
3
После предварительного окисления, которое продолжалось в течение 20 дней, начали выщелачивание раствором, имеющим сернокислую реакцию при рН = 2. Доказано, что содержание меди в растворе в течение 20 суток находилось на уровне от 5800 до 2000 г/дм, цинка – от 19500 до 13500 г/дм(фиг. 5, 6).
После прекращения выщелачивания камера-реактор либо дозакладывается под кровлю твердеющей смесью и, таким образом консервируется, либо разгружается. В последнем случае осуществляют взрывание днища и извлечение отходов после выщелачивания, причем для размещения зарядов взрывчатого вещества в днище используются скважины, пробуренные ранее для подачи газов и сбора растворов.
В частных случаях камера-реактор закладывается отходами внутрирудничной сепарации, полученных на базе экспресс-оценки химического состава руд в ковше горнотранспортных машин, либо на высокоскоростных ленточных сепараторах. Также возможна закладка в камеру-реактор окомкованных отходов обогащения, либо других проницаемых для газов и растворов минеральных веществ.