Пески Прикамья потенциальные техногенные месторождения

УДК 553.041

ПЕСКИ ПРИКАМЬЯ - ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ТЕХНОГЕННЫЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ

© В.А. Наумов, Б.С. Лунев, О.Б. Наумова, О.А. Мишанов

Ключевые слова: месторождения полезных ископаемых; строительные пески; песчано-гравийные смеси Прикамья.

Рассмотрена возможность получения высококачественных строительных материалов (гравий, пески разного назначения) при разработке аллювиальных месторождений Пермского края. Практический интерес представляет утилизация мелких ценных минералов (золото, ильменит, циркон и т. п.) из отвалов разработки.

В природных условиях месторождения полезных ископаемых не всегда отвечают требованиям производства. В результате их разработки возникают отвалы, представленные продуктами основного процесса обогащения. В строительном производстве, где используют пески, такими лишними продуктами являются чаще всего их мелкие фракции. В зависимости от особенностей состава месторождений, назначения песков для промышленных целей можно заранее рассчитать состав отвалов и наметить пути их утилизации (комплексного использования минерального сырья). В зависимости от способа разработки отвалы могут возникать или сразу утилизироваться. При простом отсеве они будут накапливаться, при более сложной схеме разработки могут быть утилизированы путем концентрации мелких ценных минералов.

Уже давно отмечено [1-3], что некачественные строительные пески, содержащие большое количество пылеватых частиц, значительно удорожают строительные работы. Неудовлетворительный состав нерудных строительных материалов и их высокая стоимость приводят к тому что 30 % затрат в России приходится на сборный железобетон (в США - 12 %). Некондиционность заполнителей (песка, гравия) для бетона приводит к большому расходу цемента на стройках - 250300 кг/м3 бетона (за рубежом - 150 кг), а на заводах железобетонных изделий - 400-450 кг/м3 бетона (за рубежом - 300-320 кг/м3). В себестоимости монолитного бетона стоимость нерудных строительных материалов составляет 50,2 % (в США - 24,2 %), а сборного железобетона - 28,7 % (в США - 12,6 %). К настоящему времени эта проблема сохраняет актуальность. Если высококачественные строительные пески нельзя найти в природе, то их можно получить в процессе обогащения. За рубежом широко применяют пофракционный рассев и составление песков определенного гранулометрического состава.

Песчано-гравийные смеси (ПГС) Прикамья состоят из песков (фракция менее 5 мм) и гравия (фракция более 5 мм); содержание гравия меняется от 40 до 60 %. Наибольшие концентрации гравия установлены в границах пересечения реками локальных положительных тектонических структур.

Качество русловых отложении (ПГС) р. Камы как строительного сырья в сравнении со многими объектами Русской равнины и Сибири хорошее. Однако и в камских песках мелкие частицы (менее 0,15 мм) встречаются в относительно большом количестве. Экономия цемента может быть достигнута путем отделения (отсева) мелких фракций песков. Вместе с тем в песках есть ценные минералы, которые желательно утилизировать. Это цирконий-титановые минералы (циркон, ильменит, рутил) и золото, которые концентрируются в мелких фракциях (менее 0,2 мм) и в природных песках составляют очень малую долю (менее 1 %). В результате обогащения (рассева) песков и выделения мелкой фракции достигается: 1) получение марочных песков (строительных, формовочных, стекольных); 2) извлечение ценных минералов из мелкой фракции песков в концентрат.

Россыпные месторождения титана и циркония

в России имеются, но они беднее, чем зарубежные, требуются большие затраты для их освоения. Почти все месторождения отличаются наличием вскрышных пород, перекрывающих полезную толщу. Размер вскрыши на Тугановском месторождении (Томская область) составляет 7-10 м, на Центральном (Тамбовская область) - 13 м, на Лукояновском (Нижегородская обл.) - 25 м.

Мировые цены на ильменитовый концентрат (4570 % ТЮ2) составляют 40-79 долл. за тонну, рутило-вый (94-96 % ТЮ2) - 58-715 долл. за тонну. Мировой рынок титановой промышленности стабилен и имеет тенденцию к увеличению производства [4].

Мелкие ценные минералы (цирконий-титановые, золото) концентрируются в тяжелой фракции речных отложений. Общая доля их составляет значительно меньше 1 % всего объема ПГС. Обычно для добычи ценных минералов наиболее перспективны отложения с высоким содержанием гравия (50-60 %), т. к. в них содержания этих минералов повышенные.

Мелкие ценные минералы как продукт попутного получения при комплексной разработке месторождений с каждым годом становятся более интересным объектом для разных исследователей. Этой проблемой еще в конце 1950-х гг. занимались московские ученые

[5], которым недостаточный учет геологической информации не позволил решить ее в масштабах СССР. В Пермском университете такие исследования ведутся с начала 1960-х гг. Накоплен огромный опыт, и собрана необходимая геологическая и технологическая информация. Оценены геологические данные по аллювию многих рек СССР (Амур, Зея, Лена, Енисей, Обь, Кама, Волга, Ока и др.). Наиболее интересные результаты получены по содержанию золота (мг/м3) в аллювии р. Чирчик (Узбекистан) - 35, Печора - 10-15, Вилюй (Якутия) - 10-100, Китат (приток Томи) - 12, Вятка -

6. Высокое содержание цирконий-титановых минералов отмечено в Западной Сибири (р. Зея).

На Каме в ПГС нами установлено низкое содержание золота - 3-5 мг/м3, мало циркона, ильменита, рутила. Однако практический интерес могут представлять попутные продукты разработки месторождений - отсевы, концентраты обогащения и т. п.

Опыт попутной добычи ценных минералов из ПГС существует на разных объектах. На р. Тагил (Урал) за 10 лет попутно извлечено 40,7 кг золота и 3,5 кг платины. На р. Ингури (Кавказ) при содержании золота в речных отложениях 2 мг/т (4 мг/м3) попутно получили за 4 года 12 кг золота. На р. Чирчик до 1940 г. попутно извлекали по 10 кг золота в год.

Лаборатория осадочных полезных ископаемых Пермского университета (ЛОПИ) на одном из очень богатых объектов Урала (отвалы обогатительной фабрики) извлекла более 1 кг золота и платины. Для работы использована поисковая аппаратура, работающая по тому же принципу, что и применяющаяся для разработки таких месторождений. Она отличается от эксплуатационной лишь размерами. Таким образом, месторождение разведается и разрабатывается приборами, принцип работы которых аналогичен.

На притоках р. Томи Пермская ЛОПИ изучила ПГС и оценила содержание в аллювии свободного золота (в среднем 12 мг/м3). Богатые объекты по содержанию золота в ПГС в долине р. Зеи также заинтересовали геологов как попутный продукт разработки строительных песков. В настоящее время другими исследователями опытные работы по попутному извлечению золота из месторождений ПГС проведены в Подмосковье (Вяземский ГОК), где в качестве эксперимента на промышленном оборудовании добыто несколько десятков граммов тонкого золота.

Зарубежный опыт по разработке ПГС и песков заслуживает внимания. Природные ПГС и пески перед использованием в строительстве обогащают. Так, в Нидерландах [6] существуют плавучие заводы по добыче и классификации песка из ПГС производительностью до 1500 т/ч. Ценные минералы попутно не извлекаются. Стоимость завода 12,5 млн долл. Созданная обогатительная установка, как следует считать из описания, отличается высокой энергозатратностью, получение каждой размерной фракции песков потребляет много энергии. Таким образом, подобный плавучий завод решает только одну задачу - классифицирует аллювий по размерным фракциям.

Другой зарубежный пример обогащения относится к получению из песков ценных минералов без использования самих песков. Во Флориде (США) на 222 винтовых аппаратах (сепараторах), аналогах применяемых нами на Каме, обогащались пески [7]. Общая произво-

дительность такой фабрики равна 5000 т исходных песков в сутки. Фабрику обслуживают три человека. В настоящее время в нашей стране имеются более производительные сепараторы - 18-75 т/час.

Предлагаемая Пермской ЛОПИ схема обогащения камских песков включает элементы их разделения на фракции (аналог плавучего завода Нидерландов) и выделение из песков ценных минералов (аналог обогатительной фабрики во Флориде). Поскольку предусматривается разделение песков с использованием сил гравитации, то энергозатраты должны быть минимальными. Особенно это касается плавучих земснарядов, которые пульпу при складировании песков в баржи поднимают на высоту несколько метров.

Методика работ ЛОПИ по изученному объекту в значительной мере традиционна. Объект исследования представляет собой карту намыва, содержащую ПГС разных месторождений русла Камы в районе г. Перми. С карты намыва экскаватором со стенки забоя высотой 4-5 м взяты три пробы ПГС. Конечный вес проб составил 1000 кг (одна проба) и 500 кг (две пробы). В исходных пробах тяжелая фракция, в которой концентрируются ценные минералы, составляет значительно меньше 1%.

Из ПГС отсеяна фракция менее 2 мм и пропущена через винтовой шлюз с диаметром желоба 250 мм. В концентрат собрана тяжелая фракция. Таким образом, в полевых условиях получены богатые концентраты ценных минералов. Они составили 0,06 % веса исходной пробы (1000 кг) и 0,17 и 0,3 % (пробы по 500 кг). Максимальное обогащение составило более 1700 раз. Из пробы в 1000 кг получен концентрат весом 585 г. В двух других пробах обогащение составило 334 раза (выход концентрата 0,3 %) и 557 раз (выход 0,17 %).

Результаты полевых работ. Получен коллективный концентрат ценных минералов (ильменит, рутил, циркон). Расчеты показывают, что по отработанному режиму с каждого кубометра ПГС можно получать 1 кг концентрата. В 1 м3 такого концентрата содержание условного ильменита составит 462 кг (условный ильменит - сумма титансодержащих минералов при соотношении ильменита к рутилу и циркону как 1:2:3). Концентрат объемом 1 м3 будет содержать (кг) ильменита - 183, лейкоксена и рутила - 36, циркона - 69. Расчеты показывают, что обогатительный агрегат, перерабатывающий 1 млн м3 ПГС в год, может попутно дать 1000 т коллективного концентрата, при этом суммарное содержание условного ильменита составит 154 т, ильменита - 61 т, рутила - 63 т, циркона - 12,3 т, золота - 3 кг.

Результаты лабораторных работ. В лабораторных условиях с помощью магнитной и электромагнитной сепарации, разделения в тяжелых жидкостях, оптических исследований установлены ценные минералы. В концентратах содержание тяжелой фракции изменяется в зависимости от их выхода. В богатом концентрате (его выход 0,06 %) тяжелые минералы составили 60,5 %, в бедном (выход 0,3 %) - 26 %, в концентрате со средними показателями (0,17 %) - 49,4.

Основная доля (70-75 %) тяжелых минералов приходится на фракцию 0,1-0,2 мм. При этом магнитные минералы составляют 4-8 %, электромагнитные - 1315 % (разделение велось на лабораторных электромагнитных сепараторах).

В практике обогащения используют высокопроизводительные (до 7 т/час) магнитные сепараторы. Согласно расчетам, полученный коллективный концентрат с 1 млн м3 ПГС в количестве 1000 т на высокопроизводительном сепараторе может быть преобразован в моноконцентрат (рутиловый, ильменитовый, цирконовый) за 20 суток.

Гранулометрический состав ценных минералов ПГС р. Камы. Ценные минералы из ПГС отличаются относительно высокой крупностью. Они представлены частицами в основном 0,1-0,17 мм, что облегчает их обогащение. В ПГС с высоким содержанием гравия (55-80 %) ценные минералы наиболее крупные (0,10,25 мм), при низком содержании гравия (менее 25 %) преобладают циркон, ильменит и рутил с размером зерен менее 0,1 мм.

На известных промышленных цирконий-титановых россыпях России ценные минералы мельче. Так, на месторождении Центральном (Тамбовская область) цирконий-титановые минералы на 80-90 % сосредоточены во фракции менее 0,1 мм, свободное золото в них имеет размер частиц 0,026-0,017 мм при содержании 67 мг/м3. В ПГС Камы золото более крупное, в коллективном концентрате оно составляет 5 г/м3. В цирконовом селективном концентрате его содержание еще больше.

Распределение ценных минералов в тяжелой фракции по размерным классам неодинаково. В крупной фракции (более 0,3 мм) их мало - 0-11 %, это, главным образом, лейкоксен. Наиболее богата ценными минералами фракция менее 0,1 мм. Она содержит (%): циркон -38-47, рутил - 5-9, ильменит - 14-19. Таким образом, мелкая тяжелая фракция (менее 0,1 мм) на 45-59 % в неэлектромагнитной фракции и на 14-19 % в электромагнитной фракции представлена ценными минералами.

Преимущества цирконий-титановых концентратов из ПГС Камы и подобных объектов следующие:

1) повышенная крупность зерен ценных минералов, что облегчает решение технологических вопросов. В ПГС преобладает фракция ценных минералов более

0,1 мм, а в россыпях - менее 0,1 мм;

2) не требуются вскрышные работы при разработке;

3) производство коллективных концентратов осуществляется попутно и потому затраты на их получение сводятся к минимуму;

4) высокое содержание золота в коллективном концентрате (2-5 г/м3 и более). Минимальное промышленное содержание этого драгоценного металла принимается равным 50 мг/м3;

5) высокое содержание циркона в концентратах из ПГС Камы (37-69 кг/м3), для сравнения: на Центральном месторождении - 7 кг/м3, Тугановском - 11 кг/м3, Лукояновском - 24 кг/м3;

6) высокое содержание условного ильменита в ПГС Камы (163-462 кг/м3 против 72 кг/м3 на Туганов-ском и Центральном месторождениях);

7) отсутствие глины в концентратах Камы в лучшую сторону отличает их от россыпей России.

Принципиальная технологическая схема попутного извлечения ценных минералов сводится к следующему.

1. Применение дуговых сит и отделение мелких фракций из ПГС (менее 0,17 мм) позволит получить

продукты с содержанием (кг/м3) циркона - 10-40, ильменита - 20-40, рутила - 2-10 и золото [8].

2. Обогащение мелкой фракции осуществляется с использованием винтовых аппаратов с этажным расположением. По одной схеме аппараты монтируются на барже (на воде), по другой - на суше. Опыт работ позволил на суше получить коллективные концентраты с содержанием условного ильменита 462 кг/м3.

3. Коллективные концентраты могут направляться на специализированные обогатительные фабрики с целью извлечения золота и цирконий-титановых минералов. Сортированные пески используются в пределах Пермского края и экспортируются.

Аппаратура для обогатительной фабрики известна. Она применялась на различных объектах для получения сортированных песков (дуговые сита) или концентратов россыпей и дробленых коренных пород (винтовые шлюзы и сепараторы). В комплексе, как единое целое, эти установки никем не применялись на практике, хотя нами неоднократно рекомендовались. Предлагаемые обогатительные аппараты имеют большую производительность: дуговое сито с шириной щели 1 мм -80 м3/ч, винтовые аппараты - 4-50 т/ч. Для работы на обогатительном агрегате с годовой производительностью 1 млн м3 ПГС потребуется 1-2 дуговых сита и не более 10 винтовых аппаратов большой производительности.

На северо-западе Пермского края в связи с перспективой строительства железной дороги «Белкомур» рыхлые песчано-гравийные отложения являются потенциальными объектами для разработки. В соответствии с проектом для строительства железной дороги потребуется 56,3 млн м грунта для подсыпки в основании насыпи. Значительная часть его будет взята из гравийных месторождений, расположенных в зоне строительства дороги. При грамотном подходе попутно при строительстве дороги могут быть получены: сортированные пески заданного гранулометрического состава (строительные, формовочные, для производства цемента, силикатного кирпича), а также коллективные концентраты мелких ценных минералов (ильменит, рутил, циркон, золото). Сами по себе мелкие ценные минералы в этом районе не представляют промышленной ценности. Их основная доля приходится на размерный класс менее 0,15 мм. Известно, что частицы такой крупности являются вредной примесью в строительных песках и приводят к перерасходу цемента.

На некоторых участках будущего строительства нами определены содержания цирконий-титановых минералов и золота. Подсчитано, что после обогащения в 100 раз отсевов фракции менее 0,15 мм среднее содержание условного ильменита составит 76 кг/т или 190 кг/м3. Среднее содержание золота в ПГС редко превышает 10 мг/м. Выявлено, что минимальный объем золота, который может попасть в основание дороги, составляет 2-6 т [9].

Преимущества комплексного изучения и использования ПГС из русел рек многоплановы.

1. В каждом районе увеличивается число заказчиков на разработку и перевозку, появляются новые заказчики из других районов.

2. Исчезает зависимость потребителей сырья каждого района (области) от централизованного дальнепривозного снабжения (в т. ч. от зарубежных поставок).

3. Сокращается трудоемкость, уменьшается стоимость перевозок сырья для потребителей в результате сокращения расстояний перевозок, что исключительно важно при высокой стоимости энергоносителей.

4. Расширяется ассортимент перевозок (транспортируется уже не только обычный песок и ПГС, но и марочные пески разного назначения, концентраты ценных минералов).

5. Появляются новые нетрадиционные виды работ, связанные не только с получением гравия и песка, но и с обогащением песков по сортам, выделением концентратов ценных минералов.

6. Существенно возрастает прибыль от реализации широкого спектра высококачественных, а потому более дорогостоящих продуктов (сортированных песков разнопланового назначения и концентратов железа, титана, циркония, золота и др.).

7. Уменьшается плата за недра, поскольку эксплуатируется один объект, а получается серия минеральных продуктов. В перспективе стоимость недр возрастет, потребность в сырье увеличится, запасы сырья сократятся, проблема станет сложнее.

8. Увеличение общего объема работ добывающего предприятия ведет к росту занятости населения. К существующему персоналу работников порта должны прибавиться высококвалифицированные геологи, обогатители, горняки, коммерсанты.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дайн А. П. Пути снижения себестоимости нерудных строительных

материалов // Совещание по комплексной механизации и автома-

тизации добычи и переработки нерудных строительных материалов: тез. докл. М., 1960. С. 40-42.

2. Медведев В.М. Современное состояние и требования к качеству заполнителей для бетона // Там же. С. 12-14.

3. Сайкин Е.К. Плавучий завод // Речной транспорт. 1990. № 7. С. 4243.

4. Быховский Л.З., Зубков Л.Б. Стратегия развития и освоения минерально-сырьевой базы титана // Минеральные ресурсы России. 1995. № 145. С. 6-12.

5. Горшков В. С. Попутная добыча редкометальных минералов при разработке песчано-гравийных месторождений способом гидромеханизации // Вопросы накопления тяжелых минералов. Рига, 1960. С. 20-23.

6. Перцовский М.З. Задачи в области развития промышленности нерудных строительных материалов // Совещание по комплексной механизации и автоматизации добычи и переработки нерудных строительных материалов: тез. докл. М., 1960. С. 19-21.

7. Соломин КВ. Винтовые сепараторы. М.: Металлургиздат, 1956. 172 с.

8. Лунев Б.С. Дифференциация осадков в современном аллювии. Пермь, 1967. 333 с.

9. Наумов В.А., Илалтдинов И.Я., Осовецкий Б.М., Голдырев В.В., Макеев А.Б. Золото Верхнекамской впадины. Кудымкар: Коми-Пермяц. кн. изд-во, 2003. 218 с.

Поступила в редакцию 12 января 2010 г.

Naumov V.A., Lunev B.S., Naumova O.B., Mishanov O.A. Sands of Prikamye - potential anthropogenic deposits.

The possibility of obtaining high-quality construction materials (gravel, sand for different purposes) in the development of alluvial deposits of Perm region was observed. Practical interest is the utilization of little valuable minerals (gold, ilmenite, zircon, etc.) from the heaps of development.

Key words: minerals deposit; mortar sand; sand-gravel mixtures of Prikamye.