Опытные работы по созданию безотходной технологии на комбинате «КМАруда»
В настоящее время основным источником сырья для производства железорудного концентрата являются железистые кварциты. При их обогащении методом магнитной сепарации в условиях комбината «КМАруда» на каждую тонну концентрата образуется до 1.5 тонн отходов (хвостов обогащения), которые сливаются в хвостохранилище Лебединского ГОКа, расположенное в 17 км от дробильно-обогатительных фабрик комбината. При хранении хвостов в поверхностных хвостохранилищах нормативные выбросы пыли в атмосферу составляют 277.3 т/год с 1 га пылящей площади. Для размещения годового объема хвостов комбината требуется 3.75 га (при удельной вместимости 0.346 млн.м3/га). При этом 25% этой площади образуют пылящие пляжи, с которых в атмосферу выбрасывается 260 тонн пыли в год.
Концепция безотходной технологии добычи кварцитов подземным способом предполагает размещение отходов обогащения в подземных отработанных камерах. В условиях шахты им.Губкина комбината «КМАруда» в 1998 г. были начаты опытно-экспериментальные работы по заполнению текущими хвостами обогащения опытных камер 14/9 и 14/10, отработанных в 1974 г.
Для успешной реализации намеченных испытаний были проведены подготовительные работы по сооружению гидрозакладочного комплекса, состоящего из следующих технологических объектов:
• поверхностный пульповод длиной 790 м от ДОФ-1 до вертикальной скважины;
• закладочная скважина от поверхности до гор. –71 м для размещения вертикального пульпопровода длиной 250 м;
• система подземных пульповодов от скважины до заполняемых камер (120 м);
• три гидроизолирующие перемычки с фильтрующими и водоотводными устройствами на гор. –125 м;
• система связи между поверхностными и подземными объектами закладочного комплекса.
Технология размещения текущих хвостов обогащения включала поэтапную подачу расчетных объемов пульпы в течение строго ограниченного времени, выдержку во времени до осаждения твердых частиц и сброса осветленной воды. Количество подаваемой пульпы во время опытных пусков определялось по качественно-количественной схеме ее образования на первой стадии магнитной сепарации в единицу времени. Как видно из диаграммы их наполнения камер (рис. 1), в соответствии с предусмотренным технологическим регламентом наполнения производительность подачи по пульпе изменялась от 55 до 120 м3/час, по твердому – от 18 до 40 т/час. Широкий диапазон изменения технологических показателей наполнения камер объясняется колебаниями весовой концентрации твердого в пульпе, которая изменялась в пределах 20–30%. Время подачи рассчитывалось исходя от объемов выработанного пространства, заполняемого на данном этапе до необходимого уровня. В общем случае заливка очередной порции пульпы осуществлялась либо на твердые хвосты после сброса осветленной воды, либо на частично «несброшенную» воду, а продолжительность каждого экспериментального пуска изменялась от 2–3 часов при заполнении выработок откаточного горизонта до 120 часов при заполнении собственно объемов камер. Всего в обе камеры было подано 375 тыс.м3 пульпы и уложено 75.5 тыс.м3 (117 тыс.тонн) твердых хвостов. В промежутки времени между пусками происходил процесс осаждения (выпадения в осадок) твердых частиц хвостов. Учитывая их тонкодисперсность (исследования гранулометрического состава показали, что наличие в хвостах фракций диаметром менее 0.05 мм составляло до 80%), время осветления воды было значительным при средней скорости осаждения 1.0 см/мин. Это потребовало разработать ряд конструктивных решений для эффективного сброса осветленной воды из заполняемых камер как в период их наполнения, так и в период их осушения. Например, при сооружении водоизолирующих перемычек были предусмотрены специальные водосливные отверстия (рис. 2) для сброса воды в период заполнения хвостами выработок доставки и откатки и дренажные коллекторы для удаления воды из камер в период их осушения. При наполнении первых двух третей объемов камер осветленная вода удалялась через специально пробуренные скважины, а при наполнении последней трети – верхним переливом через вентиляционные сбойки гор. –71 м (рис. 3). Такая схема позволила отказаться от сифонирования осветленной воды, что значительно упростило технологию закладочных работ.
Наблюдения за уровнем пульпы, воды и хвостов в обеих камерах осуществлялись методом непосредственных замеров из выработок вентиляционного горизонта, а контроль уровней наполнения велся по показаниям манометров, установленных на перемычках № 1–3 гор. –125 м. Максимальное давление, зафиксированное по манометрам при разных уровнях наполнения камер пульпой, не превышало истинного гидростатического столба и изменялось по перемычкам № 1–3 в пределах 0.28–0.54; 0.19–0.28; 0.22–0.38 МПа соответственно. После заполнения камер пульпой до проектных отметок наполнения при открытых дренажах оно не превышало 0.54 МПа при разнице в отметках 60 м.
В период опытно-экспериментальных работ был разработан целый комплекс мероприятий, обеспечивающих безопасное ведение работ по размещению отходов обогащения в подземных камерах. С целью сокращения времени нахождения водоупорных перемычек под максимальными нагрузками, было решено пробурить в каждую из камер по две водосбросные скважины, которые были оборудованы запорной арматурой и оснащены манометрами для определения величины гидростатического давления. При производительности каждой скважины 50–80 м3/час был обеспечен эффективный сброс осветленной воды в промежутки времени между пусками и при подаче пульпы в смежную камеру. Для обеспечения равномерности давления на междукамерный целик со стороны формируемых массивов твердых хвостов, наращивание уровней как пульпы, так и твердого производилось поочередно с незначительным опережением соседней камеры. Постоянно корректировалась и работа дренажных коллекторов, что также обеспечивало снижение величины давления на водоупорные перемычки. В результате этих мероприятий фактическое давление было ниже расчетного в два раза и не превышало гидростатического, т.е. практически был обеспечен дополнительный запас прочности конструктивных элементов технологии. Так, водоупорные перемычки, в соответствии с проектом, рассчитывались на давление 1.2 МПа, а максимальное рабочее давление при наполнении камер на всю высоту составило 0.54 МПа.
После достижения твердыми хвостами проектных отметок (–61 м) – уровней почвы вентиляционных сбоек – был начат процесс осушения массива хвостов со сбросом профильтрованной воды через дренажные коллекторы перемычек горизонта –125 м. Средняя суммарная производительность коллекторов за 10-месячный период осушения составляла около 1.1 м3/час.
Для определения физико-механических и водно-физических характеристик уложенных в камерах хвостов с их поверхности были пробурены наблюдательные скважины диаметром 100 мм, из которых с интервалом в 0.5 м отбирались пробы хвостов и обеспечивалась возможность контроля уровня гравитационной воды в камерах. Скорость снижения, при этом, составляла 0.15 м/сутки в начальный и 0.1 м/сутки в конечный периоды осушения. Прямые наблюдения за уровнем гравитационной воды осуществлялись по замерам свободной воды в вентиляционном восстающем, расположенном между двумя заполняемыми камерами и имеющим с ними прямую связь по выработкам откаточного горизонта шахты.
В процессе осушения камер и консолидации уложенных хвостов были проведены исследования по определению величины осадки поверхности твердых хвостов. С этой целью на заложенных массивах в камерах были установлены измерительные вешки. Интенсивность осадки поверхности была наивысшей в первые две недели осушения (скорость до 0.128 м/сут) с постепенным снижением до нуля к девятому месяцу осушения. Суммарная величина просадки поверхности хвостов составила 0.83 м в камере 14/9 и 0.59 м в камере 14/10. В целом оседание поверхности происходило неравномерно по площади. В центральной части камер общее оседание в начальный период осушения (1-ый месяц) не превышало 0.25 м, в то время как по периметрам камер у бортов осадка составила 0.4–0.5 м с образованием трещин, выходящих на поверхность хвостов. На рис. 4 представлено три состояния поверхности массива:
а) в момент окончания заливки – начальный период осушения;
б) раскрытие трещин у бортов камер до величины 0.07–0.12 м при глубине 0.5–1.5 м и появление радиальных трещин в центральной части камеры – конец 1-го месяца осушения;
в) увеличение ширины трещин у бортов до 0.5–0.7 м при глубине до 3.5 м – заключительный период осушения.
По бортам камер просматривается след от пульпы – величина максимального подъема пульпы.
Водно-физические свойства хвостов в период осушения изменялись также значительно. Весовая влажность в приповерхностном слое снизилась с 35% до 2–4%, а в верхней трети камер до 10%, что говорит о хорошем обезвоживании массива. Консолидация подтверждена увеличением показателей сцепления и угла внутреннего трения хвостов при осушении в 5–7 раз.
Проведенные опытно-экспериментальные работы по заполнению текущими хвостами обогащения подземных отработанных камер подтвердили не только жизнеспособность разработанной технологии, но и ее эффективность.
Экономический эффект технологии определяется сравнением затрат на опытные работы при подземном складировании хвостов с затратами на размещение и хранение такого же объема хвостов в поверхностном хвостохранилище. Стоимость опытных работ складывается из затрат на сооружение поверхностного пульпопровода (С1), вертикальной скважины (С2), трех перемычек на горизонте –125 м (С3), затрат на откачку из шахты осветленной воды (С4) и неучтенных расходов (С5):
С = С1 + С2 + С3 + С4 + С5, руб.
Дальнейшая реализация безотходной технологии производства железорудного концентрата в условиях комбината «КМАруда» будет включать следующие этапы:
• размещение в подземных камерах хвостов I-ой стадии магнитной сепарации ДОФ-1 и ДОФ-2 (Qп = 395 м3/час; Qт = 134 т/час), что составит 55% от объема всех образующихся хвостов;
• разработка мероприятий по сгущению хвостов на дневной поверхности (гидроциклоны, полочные, радиальные, траншейные или иные сгустители);
• сооружение второй вертикальной скважины для подачи текущих хвостов обогащения в подземные отработанные камеры;
• размещение в подземных камерах годового объема хвостов обогащения комбината (2 млн. т/год).
