Физические основы технологий размещения твердых отходов обогащения в выработанном пространстве

© Ю.П. Галченко, В.Т. Кравченко, А.П. Кузнецов, 2003

УДК 622.272; 622.34

Ю.П. Галченко, В.Т. Кравченко,

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЙ РАЗМЕЩЕНИЯ ТВЕРАЫХ ОТХОЛОВ ОБОГАЩЕНИЯ В ВЫРАБОТАННОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Большие объемы выработанного пространства, характерные для подземной разработки месторождений с покидаемыми целиками, открывают реальные перспективы создания геотехнологий с замкнутым циклом обращения твердых отходов горно-обогатительного производства [1]. При этом ключевым моментом общей методологии формирования технологических решений является знание и использование физической сущности процессов разделения фаз в жидкой среде, консолидации формируемых массивов и их последующего обезвоживания. На этих законах базируются любые возможные варианты создания геотехнологии с замкнутым циклом обращения твердого вещества.

Общая структура технологии погашения отработанных камер путем размещения в них твердой компоненты хвостов обогащения включает в себя:

• транспортирование текущих хвостов по поверхности от обогатительной фабрики до ствола или скважины, подающей их в подземное пространство ;

• транспортирование хвостов до закладываемых камер;

• укладка хвостов в камеры;

• обезвоживание хвостов и возврат воды в общий оборот.

Обязательным элементом любого варианта технологии является гидроизоляция выработок днища камер и создание системы отвода воды.

Если первые две составляющих технологии достаточно хорошо информационно обеспечены, как в теоретическом, так и в практическом плане, и задача сводится только к выбору технических режимов по известным методикам, то по двум остальным -практически нет сколько-нибудь представительных теоретических или эмпирических данных. А так как выбор концепции построения технология обусловлен также жесткими экономическими ограничениями, связанными с низкой абсолютной величиной стоимости конечного продукта производства, то

Рис. 1. Механизм гравитационного разделения фаз: О - дебит текущих хвостов; - объем твердой фазы в хвостах; Щв - объем воды; L - длина пути осаждения; Ув - вектор скорости гравитационного осаждения; Ур - вектор горизонтальной скорости потока; Уто - вектор скорости частиц; Уос - скорость заполнения камеры осадком; Уз - скорость заполнения камеры пульпой; Ив- высота осветления потока; В0 - ширина потока на входе в камеру; В - ширина камеры; I- глубина потока пульпы в точке ее подачи в камеру

становится почти очевидной целесообразность создания технологии с максимальным использованием процессов, базирующихся на естественных законах разделения фаз в гравитационном поле. В общем виде, исходя из условия непрерывности процесса, структурную модель такой технологии можно представить в виде системы последовательно заполняемых пульпой емкостей (камер), высота которых почти в 2 раза больше ширины, разделенных соизмеримыми с камерами по своим размерам междукамерными целиками (рис. 1). Гидравлическая модель при этом строится на основе допущения о ламинарном состоянии всех потоков. Тогда общую физическую модель процесса заполнения реальной камеры твердой составляющей пульпы можно представить в виде двух локальных моделей, отражающих различия в характере процессов разделения фаз и заполнения объема твердой составляющей.

В зоне разделения фаз каждая частица движется по траектории, определяемой совместным действием горизонтальной составляющей, обусловленной непрерывностью процесса работы хвостохранилища, и вертикальной - гравитационной.

Форма кривой раздела твердого и жидкого (кривая Стокса) определяется соотношениями между УГ и УВ на рис. 1 [2].

Условие полного осаждения всех неплавающих частиц выглядит так:

< *Г ,

где Ьв - время движения под влиянием силы тяжести, Ь— время движения по горизонтали.

В пределе имеем:

^ < А

V ^Г ’

где £ - общая длина пути осаждения.

При выполнении этого условия все частицы с массой и размерами, обеспечивающими преодоление гидравлического сопротивления вертикальному движению, попадут в объем под кривой Стокса.

Соблюдение названных выше ограничений в рамках общей концепции создаваемой геотехнологии обуславливают и общий подход к выбору конструктивных решений по принципу создания условий для беспрепятственного действия законов естественного разделения фаз. Учитывая очевидную симметрию конструкции в горизонтальной плоскости, на первом этапе можно ограничиться рассмотрением плоской задачи в вертикальной плоскости. В общем виде, для принятой структурной модели технологии, классическая кривая раздела твердой и жидкой фаз приобретает ступенчатую форму и в аппроксимированном виде значительно выполаживается по отношению к классической кривой Стокса (рис. 2). Условие осаждения твердой фазы (неплавающих частиц) в этом случае имеет вид:

Вместе с тем, так как каждая единичная емкость работает в режиме "заполнение-слив", в диаграмме, определяющей формирование реального вектора скорости частиц (УТО), появляется вертикальная составляющая (У В ), оказывающая противодействие силе гравитации (рис. 2). Величина этой составляющей прямо пропорциональна удалению точки подачи пульпы в камеру от свободной поверхности и обратно пропорциональна расстоянию частицы от вертикальной оси камеры.

Известно [3], что интенсивность осаждения зависит от длины (Ь) и ширины (В) поверхности осаждения, взаимосвязанные значения которых принято определять из системы уравнений:

^  к

<

і — 0,4йв0’7В0’7Х’57 ^

І ио

В — Во

1 +1,42

V Во У

Ь_

А

Рис. 3. Зависимость длины осаждения (Ь) от ширины входящего потока (Во ) при разных значениях глубины входящего потока (И): 1 - И = 0,01 м; 2 - И =0,1 м

Рис. 2. Физическая модель процесса разделения фаз в выработанных камерах: У В - динамическая скорость сниже-

ния скорости гравитационного осаждения; Ут сектор скорости частиц

реальный

Применительно к реальным условиям параметр В задан горной технологией и равен 50 м, решение упрощается:

і = (о,4Н

\0,5

, м

где В0 - ширина потока пульпы, м; С10 - скорость осветления суспензии хвостов заданной начальной концентрации (С) до требований, предъявляемых к оборотной воде (С/7= 50 мг/л); 1 - средняя глубина потока пульпы у места втекания в камеру, м.

Величина 10 определяется по стандартной методике. При начальной концентрации С>1,5х104 мг/л рекомендуется зависимость:

ґ

и о — -0,2 1°ё1-

а

А

, м/сек

У

где а1 и А - эмпирические коэффициенты, зависящие от размера частиц в пульпе, величина

Э = — - Сг

сх

, ед. - необходимый эффект осветле-

ния оборотной воды.

Применительно к грансоставу текущих хвостов обогащения рудника имени Губкина значение а1 и А, соответственно, составят 0.23 и 3,91 [4].

Анализ основного уравнения показывает, что для условий рудника имени Губкина, например, величина основного параметра - Ь определяется детерминированным воздействием ширины потока пульпы на входе (В0) и его дебита (рис. 3 и 4).

Из рис. 3 видно, что изменение величины В0 от 3 м (ширина выработки) до 50 м (длина камеры) при глубине потока И = 0,1 м, длина пути осветления (30^15 м) соизмерима с размером камер. Причем, с увеличением ширины потока (В0) до 20 м величина Ь интенсивно снижается, дальнейшее же изменение ширины потока практически не влияет на интенсивность осветления. Степень влияния дебита пульпы

х

И

в

X

(П) на величину пути осаждения (рис. 4) также зависит от ширины потока (В0). При реальных размерах камер и количестве пульпы (~1 м/сек) для ее осветления вполне достаточно двух последовательно задействованных камер. Увеличение ширины потока, также как и в предыдущем случае, быстро снижает значение пути осаждения (Ь).

Граница между зонами осветления и заполнения объема имеет форму кривой вида: т 2, 84 п 0, 61г 7-1,42; 1,42

. _ -^г В0 и 0 "

0,41,42 В1,04 .

Ниже этой линии процесс разделения фаз управляется только гравитационными силами без горизонтальной составляющей. Здесь принципиальное значение имеет динамика формирования закладочного массива и скорость движения линии раздела "осадок-пульпа".

При отсутствии турбулентных возмущений в объеме, на каждую частицу твердой фазы диаметром $ действуют [2]:

• сила гравитации Р _ РЕ;

• архимедова сила Я _ ^РжЕ;

• гидравлическое сопротивление

рг _¥РжУ! ^к .

где Щ - объем частицы диаметром $ р и рж - соответственно, объемная масса материала частицы и

Рис. 4. Зависимость длины осаждения (Ь) от дебита пульпы (П при разной ширине входящего потока (В0 ): 1 - В0 = 2 м; 2 - В0 = 50 м

Рис. 5. Изменение скорости свободного (1) и стесненного (2) падения частиц в различных диапазонах изменения грансостава (3) частиц в пульпе

жидкости; у - коэффициент гидродинамического сопротивления; У - конечная скорость движения частицы; к - коэффициент, учитывающий взаимодействие частиц.

В качестве физической модели процесса здесь принимается модель стесненного совместного падения групп частиц в жидкости. В этом случае кардинально меняются (по сравнению со свободным падением) гидродинамические условия обтекания каждой частицы жидкостью. Возрастает величина градиента относительной скорости встречных потоков между частицами и, как следствие, возрастают касательные силы, действующие на каждую из них.

Процесс осаждения твердого в объеме ниже кривой Стокса (рис. 1) имеет три стадии [2]. Сначала, при условии Р>К+Р, частицы движутся с ускорением. Когда Р+1%=, начинается стадия установившегося движения с постоянной скоростью. По мере увеличения частоты соприкосновения частиц друг с другом, начинается их торможение. Когда все частицы вступают в соприкосновение, то исчезает гидравлическое сопротивление (т.к. промежутков между частицами не остается) и возникает равновесие:

Р - Я _ п,

где П - сопротивление падению за счет соприкосновения частиц.

Процесс осаждения останавливается и возникает осадок, представляющий собой объемную конструкцию из твердых частиц, расположенных по пространственной кубической решетке, объем между которыми заполнен водой. Граница этого осадка поднимается (рис. 1) вплоть до линии раздела зон.

Средняя скорость совместного (стесненного) падения частиц ( УсТ в идеальном случае определяется по формуле Тодеса-Розенбаума [5]. Для реальных пульп, представленных разнородными частицами, больше подходит формула Годэна [6]:

Уст _ Усв(1 -Г)(1 ~гГ *0 - 2,5^).

где у - объемная концентрация твердого в пульпе, Усв - скорость свободного падения частиц.

Скорость свободного падения частиц ( Ув) определяется по преобразованному уравнению Стокса:

УСВ _ 0,54<^Д,

где V - кинематический коэффициент вязкости;

рт - рР

Д_-

Рр

- относительная разница объемных

весов фаз пульпы.

Как показали выполненные для условий рудника им. Губкина расчеты (рис. 5), разница между скоростями свободного (кривая 1) и стесненного (кривая 2) падения с увеличением диаметра частиц возрас-

тает по абсолютной величине, оставаясь неизменной по относительной. Определяющее значение для расчета технологических параметров имеет диапазон изменения скоростей от 0,1 х10-2 м/сек, в котором находится более 80 % твердого вещества пульпы (кривая 3).

Предельное равновесное состояние вещества в осадке характеризуется величиной максимального весового содержания твердого вещества (Тпм), которое определяется из выражения [7]:

Т_ _ 100 X-------------Рт—6----.

((- -рж ) + — рж

п

В одном элементарном слое осадка в конечном состоянии разместится твердая фаза, содержащаяся в п слоях реальной пульпы (Тт ):

т

п _-^.

т

Поэтому скорость движения линии раздела "осадок-пульпа" (УОс) будет отличаться от скорости стесненного падения частиц ( Уст) в "п" раз:

У

У _ с

у ос

ст

п

Время формирования закладочного массива (з) в камере объемом (Щ) будет определяться дебитом подаваемых хвостов (Дт) и скоростными характеристиками процесса разделения фаз:

Wк X Т

Дт

Выполненные исследования показали, что скорость развития физических процессов в гидравлической зоне, определенной выше, как зона заполнения объема, достаточно высока для того, чтобы не ограничивать количество подаваемых в одну камеру общих хвостов обогащения.

1. Галченко Ю.П., Бурцев Л. И, Сабянин Г.В. Обоснование общих принципов построения горных технологий в условиях экологического императива/Сб. Научные и практические аспекты добычи цветных, редких и благородных металлов. ИГД ДВО РАН, Хабаровск, 2000. - С. 377-385.

2. Каплунов Д.Р, Труфанов Д.В, Лейзерович С.Г. Шумановский

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Галченко Ю.П, Кравченко В. Т..

В.Ф, Ельников В.Н. Бассейн Курской магнитной аномалии - центр железорудной промышленности России. Горный журнал, № 6, 2000. - С. 15-19.

3. Кочин М.Е. Теоретическая гидродинамика. ОГИЗ, - М.-Л., 1948, 265 с.

4. Гидравлическое складирование хвостов обогащения. Справочник. - М.: Недра, 1991.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

5. Справочник по обогащению руд. - М., Недра, 1982, 365 с.

6. Забродский С.С. Гидродинамика и теплообмен в псевдосжижен-ном слое. - М.-Л.: Изд. ГЭИ, 1963, 120 с.

7. Годэн А.М. Основы обогащения полезных ископаемых. - М.: Ме-таллургиздат, 1946, 250 с

Кузнецов А.П.

ИПКОН РАН.

© О.В. Славиковский, В.А. Осинцев, В.А. Пропп, 2003

УАК 622.272

О.В. Славиковский, В.А. Осинцев, В.А. Пропп

ПРИОРИТЕТНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ПОАЗЕМНОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ В УРАЛЬСКОМ РЕГИОНЕ

Перспективы развития горнорудной промышленности на Урале, в том числе, и приоритетные направления развития подземной геотехнологии должны рассматриваться не только в сугубо техническом, но и в экономическом и социально-эко-

номическом плане с учетом специфических особенностей Уральского региона, основные из которых заключаются в следующем.

На Урале создан мощный металлургический комплекс как в области черной металлургии (Магнитогорский, Нижне-Та-

гильский, Орско-Халиловский металлургические комбинаты, Челябинский, Серовский металлургические заводы и др), так и в области цветной металлургии (Красноуральский, Богословский, Каменск-Уральский металлургические заводы и др.), испытывающие в настоящее время острый дефицит в местном рудном сырье, который покрывается за счет в основном привозного рудного сырья из других отдаленных регионов и завоза из стран СНГ (Казахстана и др.). В тоже время, рост тарифов на железорудные перевозки ограничивает завоз рудного сырья из других регионов и предопределяет необходимость развития местной или в близле-