Энергоэффективные и безопасные технологии разведки и разработки техногенных образований. Принципы проектирования технологических схем
М.В. Рыльникова, д-р техн. наук, проф., зав. отделом, главный научный сотрудник ИПКОН РАН
Д.Н. Радченко, канд. техн. наук, доц., ст. науч. сотр. ИПКОН РАН
Анализ проблемы расширения георесурсного потенциала действующих горных предприятий свидетельствует, что вовлечение в эксплуатацию техногенной сырьевой базы является важнейшим этапом, реализация которого способствует повышению полноты и комплексности освоения рудных месторождений и снижению экологической нагрузки на окружающую среду [1–4].
Реализация этого направления получила широкое развитие в мировой практике [5–11]. Примером комплексных исследований в указанной области являются работы, выполненные в Башкортостане ГУП УКГЭ «Уралзолоторазведка» в период 1997–2000 гг. [12], а также результаты, представленные в работах [13–16]. Вместе с тем до настоящего времени большинство предприятий, в том числе и в первую очередь промышленных гигантов, не рассматривают техногенное сырье как источник расширения минерально-сырьевой базы.
Хотя например в Казахстане продление жизни крупнейшего Жезказганского горнодобывающего региона связано с реализацией стратегических инициатив, включающих в том числе вовлечение в эксплуатацию хвостов обогащения руд, накопленных свыше 1 млрд т [11, 17].
В России ограничен опыт проведения достоверной геологической разведки техногенных образований, сложенных отходами обогащения, для перевода их в категорию техногенных месторождений. Основным документом в области геологической разведки в нашей стране служит указание: «Временные отраслевые методические рекомендации по оценке техногенных ресурсов предприятий цветной металлургии», разработанные 30 лет назад [18]. Опыт использования этого документа в ходе многолетних исследований на горных предприятиях свидетельствует, что методики, перенятые преимущественно на основе многолетней практики геологоразведочных работ, не позволяют получить достоверные данные о структуре и свойствах техногенных массивов, сложенных в более поздний период тонкоизмельченными отходами обогащения руд ранее апробированными методами. Собственно говоря, это отмечают в самих методических рекомендациях: «… опробование хвостохранилищ при их разведке требует создания специальной техники или разработки геофизических методов дистанционного зондирования (с. 20)» [18]. В указаниях в качестве основного метода исследований техногенного массива принят буровой, а также выдавливания.
Главным недостатком любого способа бурения является его низкая информативность, так как в процессе выбуривания керна из рыхлого массива хвостохранилища, сложенного тонкодробленным и измельченным до микронной крупности материалом, происходит перемешивание материала, попадающего в керн. Выход керна составляет менее 60%, что дополнительно свидетельствует о низкой информативности бурового способа. В результате бурения оценивают только среднее содержание ценных компонентов по глубине опробования.
То же относится к различным методам зондирования и к его аналогам, исследованиям батометром [15, 18]. Бурение по мерзлому хвостохранилищу ограничено регионально глубиной промерзания массива, а также, как указано в [18]: «…не дает кондиционной информации в связи с наличием внутри мерзлого хвостохранилища зон, характеризующихся скоплением разжиженных хвостов, которые не могут протолкнуть керн по буровой колонне, выдавливаются в сторону и потому не попадают в пробу, искажая тем самым представительность пробы по глубине».
В 2005 г. попытки изучить структуру старогоднего хвостохранилища Бурибаевского ГОКа по пробуренным скважинам доказали, что происходит усреднение материала в процессе бурения – извлекаемые керны характеризовались равномерным цветом и структурой агрегатов [19]. Типичный внешний вид кернов приведен на рис. 1 [20]. Представленная картина отмечена у многих исследователей, занимающихся исследованием строения и структурами массива хвостохранилищ.
Следует отметить, что попытки исследовать структуру и строение старогоднего хвостохранилища Бурибаевского ГОКа делались ранее в 1995–2000 гг. При бурении скважин удалось установить только содержание ценных компонентов по глубине массива хвостохранилища. Причем, судя по опубликованным данным, ввиду описанных выше недостатков не удалось изучить закономерности формирования структуры техногенного массива [12, 14].
Данный вывод подтверждается современными работами по геологии техногенных образований. Так, показано, что «…выявление особенностей внутреннего строения хвостохранилищ… существенно затруднено из-за невозможности визуального обследования» [21]. Вместе с тем именно структурные характеристики техногенных массивов, особенно сложенные тонкодисперсными минеральными массами, определяют принципы выбора способа и технологии их разработки.
Рис. 1 Внешний вид керна: а) исключающий возможность оценки структуры хвостохранилища, б) зафиксированной в срезе пройденной траншеи
Например, отказ от скважинного способа исследований и выполненное в 2005 г. траншейное вскрытие Бурибаевского хвостохранилища позволило визуально установить неоднородность массива (см. рис. 1, б). Несомненно, недостатком траншейного вскрытия является его отчасти высокая стоимость в связи с необходимостью извлечения больших объемов сырья, а также экологическая опасность ввиду выноса пыли.В этой связи совершенствование и разработка новых схем и способов геологического исследования техногенных массиво являются первоочередной исследовательской задачей.
Установлено, что именно при визуальном обследовании массива лежалых хвостов в срезе траншеи, пройденной в хвостохранилище, наблюдается ярко выраженный слоистый характер распределения минеральных форм по глубине массива, причем многими исследованиями было показано, что слои имеют характерные различия по цвету, крупности представленного в них материала, его «сцементированности сульфатным цементом» и механическим характеристикам. Технологическими испытаниями валовой пробы установлено, что ввиду различий в физико-механических свойствах материала извлеченный из массива валовым способом материал может быть разделен на две условно чистые фракции методом грохочения.
С учетом выполненного ранее картирования и эксплуатационной разведки по состоянию на 2018 г. может быть рассмотрена следующая технологическая схема освоения хвостохранилища Бурибаевского ГОКа:
– разработка осушенного участка хвостохранилища при годовом объеме добычи и переработки техногенного сырья 300 тыс. т исходя из 10–летнего периода эксплуатации хранилища с запасами сырья 3 млн т;
– рекультивация освобожденной территории, занятой хвостохранилищем.
Освоение старогоднего хвостохранилища Бурибаевского ГОКа рекомендуется производить после первоначального снятия верхнего слоя аэрации. Низкое содержание ценных компонентов в этом слое обусловливает возможность использования его для закладки выработанного пространства, в том числе гидравлической, при разработке Октябрьского месторождения системами с закладкой выработанного пространства [22]. При отсутствии закладки выработанного пространства необходимо отдельное складирование таких хвостов с последующим решением вопросов их эффективного использования.
С учетом результатов исследований физико-механических свойств техногенных массивов на основе отходов обогащения руд для добычи мягких, хорошо разрыхленных хвостов, требующих небольшого удельного усилия копания, рекомендуется разработка массива хвостохранилища с помощью мобильных колесных горнотранспортных средств. Для разработки массива хвостохранилища рекомендуется большегрузный погрузчик с номинальной емкостью ковша 5 м3, либо любой его аналог, имеющийся на Бурибаевском ГОКе. Использование такого погрузчика обеспечит возможность извлечения хвостов без взрывного рыхления. При необходимости возможна селективная выемка пропластков, представленных различными фракциями хвостов обогащения, как это показано на рис. 1, б. При относительно небольшой производительности весь технологический цикл, включающий черпание, погрузку, транспортирование извлекаемой горной массы, может выполняться одним механизмом.
Для техногенных месторождений-аналогов, характеризующихся существенно большими запасами сырья, чем хвостохранилище Бурибаевского ГОКа небольшой вертикальной мощности, может быть рекомендована типовая горнотехническая система, представленная на рис. 2 [23], предусматривающая выемку сырья экскаватором непрерывного действия либо карьерным комбайном с транспортированием добываемой горной массы конвейером.
Независимо от применяемого способа выемки, добытое сырье доставляется на сортировочную установку, размещенную на промплощадке рудника. Установка включает: приемный бункер, питатель, инерционный грохот, используемый предприятием, марки ГИТ с размером отверстий сит 5 мм, обеспечивающий разделение хвостов по крупности. Подрешетный продукт грохота классом –5 мм – +0, представленный преимущественно буро-желтыми фракциями хвостов с высоким содержанием золота и серебра (в среднем 1,5 и 7,6 г/т [19]), рекомендуется к переработке в отдельном цикле методом выщелачивания с извлечением благородных металлов и попутным – цветных. В настоящее время, учитывая высокую стоимость благородных металлов на мировом рынке, весьма перспективно рассмотреть вопрос реализации этого сырья на близрасположенных золотоизвлекательных фабриках. В настоящее время горные предприятия Южного Урала имеют богатый опыт переработки золотосодержащего сырья при высоком содержании в нем меди. Например, известно, что руды «железной шляпы» месторождения «Юбилейное» были переработаны кучным выщелачиванием при содержании в них меди до 0,4%.
Надрешетный продукт грохочения – класс +5 мм, представленный сцементированными хвостами с высоким содержанием окисленных форм меди, селена, кадмия, цинка и других цветных металлов, обусловливает перспективность их извлечения сернокислотным выщелачиванием. Выбор параметров выщелачивания этой фракции хвостов определяется следующими факторами:
– хвосты данной фракции сцементированы легкорастворимым сульфатным цементом, поэтому такой материал не может быть окомкован напрямую;
– кучное выщелачивание массива сцементированных хвостов без предварительного окомкования влечет постепенное разрушение массива по мере растворения сульфатного цемента.
После полного перехода в раствор легкорастворимых соединений, слагающих сульфатный цемент, происходит уплотнение тонкодисперсных хвостов и прекращение фильтрации растворов в толще массива;
– наличие легкорастворимых сульфатных форм – 12% по массе (механизм вторичного минералообразования изучен, например в [24, 25]), указывает на необходимость их предварительного перевода в продуктивный раствор в режиме чанового выщелачивания с последующим окомкованием кека и его выщелачивания известными способами [26, 27].
Рис. 2 Типовая горнотехническая система, предусматривающая разработку осушенных участков хвостохранилища путем валовой выемки отходов, фракционного разделения по крупности и переработки выщелачиванием по раздельным циклам: 1 – массив хвостохранилища; 2 – выемочный комплекс; 3 – транспортный комплекс; 4 – сепарационная установка; 5 – бункер-дозатор надрешетного продукта и компонентов шихты – (6); 7 – барабанный окомкователь; 8 – комплекс отсыпки штабелей кучного выщелачивания (9); 10, 11, 13, 14 – выщелачиваемый штабель с системой сбора, циркуляции и переработки продуктивных растворов; 12 – отработанный штабель кучного выщелачивания; 15, 16, 17 – штабели кучного выщелачивания хвостов другого вещественного состава; 18–23 – комплекс утилизации хвостов в выработанном подземном пространстве
С учетом данных факторов рекомендуемая технология переработки хвостов, представленных в сцементированной фракции, предполагает их чановое выщелачивание в стационарных пачуках при перемешивании, что обеспечивает в течение 5 ч перевод ионов металлов из сульфатных форм в раствор с извлечением: меди – 80%, цинка – 78%. Полученный таким образом продуктивный раствор пригоден для переработки методами экстракции–электролиза с выделением металлической меди, последующим осаждением железа и использованием полученного цинкового купороса в процессе флотации на обогатительной фабрике.
После завершения отработки старогоднего хвостохранилища через 10 лет при производительности 300 тыс. т в год производится рекультивация освобожденных площадей горного отвода.
Очевидно, что условия разработки каждого техногенного месторождения являются уникальными, равно как и его формирования. Прямой перенос существующих технологий освоения запасов техногенного минерального сырья применительно к другим месторождениям технологий невозможен по ряду причин:
– отсутствует системный анализ фактического состояния сырьевой базы месторождения, включающий учет и классификацию запасов техногенных георесурсов в динамике;
– отсутствуют методики оценки перспектив расширения сырьевой базы горных предприятий при реконструкции и техническом перевооружении производства, которое требуется осуществить в ближайшей перспективе для продления жизнедеятельности горнодобывающего региона, в том числе при соблюдении экономических, экологических и социальных требований;
– не решены вопросы промышленной и экологической безопасности. Федеральные нормы и правила промышленной безопасности в принципе не учитывают специфику разработки техногенных образований.
В этой связи следует определить первоочередные принципы проектирования технологических схем разработки техногенных образований во взаимосвязи с технологиями их формирования, процессами вторичного минералообразования, а также с учетом перспективы последующей переработки техногенного минерального сырья.
Опыт исследования массивов хвостохранилищ свидетельствует, что разрабатываемые технологии должны являться энергоэффективными. Основанием для этого является факт, что сырье уже добыто и складировано на поверхности.
Техногенные минеральные отходы прошли все стадии дезинтеграции (буровзрывное рыхление, дробление и измельчение), поэтому энергетическая нагрузка на обогатительный и металлургический передел, по оценкам всех исследователей, снижается в десятки раз. При добыче не требуется энергозатратных методов разрушения сырья, транспортирования на поверхность, а в цикле переработки либо нет нужды в самых энергозатратных операциях – дроблении и измельчении, либо эти затраты в разы меньше, чем при переработке рудного сырья.
Вторым принципом проектирования освоения техногенных образований является обеспечение перерабатывающих производств техногенным минеральным сырьем заданного качества и требуемых объемов. Решение этой задачи не является тривиальным, так как сформированные на базе техногенных массивов отходы изменены. Выше, на примере хвостохранилища, сложенного отходами обогащения медноколчеданных руд прошлых лет, показано, что такие объекты являются сложнейшими объектами разработки. Они характеризуются крайне неравномерным распределением ценных компонентов по глубине и площади техногенного образования, различными физико-механическими характеристиками, вещественным составом сырья в различных точках пробоотбора. Все это определяет необходимость создания принципиально иных (по сравнению с применяемыми в ходе разработки природных месторождений) систем управления качеством добываемого минерального сырья, которые до настоящего времени не разрабатывались.
Создание таких систем требует проведения фундаментальных исследований закономерностей формирования технологических свойств сырья, слагающего техногенные массивы, картирования техногенного массива в зависимости от особенностей строения и свойств техногенного сырья, разработки технологий, обеспечивающих набор требуемой производственной мощности добычи сырья на различных участках с учетом принятых методов усреднения, рудничной сепарации в целях достижения стабильности минеральносырьевых потоков, являющихся базой для рентабельного функционирования обогатительных фабрик и металлургических предприятий.
Третьим принципом проектирования технологий освоения техногенных образований является создание на базе современных систем геофизического, радиолокационного мониторинга условий для безопасной разработки техногенных месторождений – осушенных участков пляжей хвостохранилищ.
Вертикальная мощность таких объектов до 50 м, площадь отвода – сотни гектаров. Они характеризуются наличием опасных зон – скрытых в толще несдренированных пульпообразных масс, зон оползневой опасности со стороны откосов и других. Принципы непрерывного мониторинга техногенных массивов с целью выявления опасных зон в ходе разработки техногенных массивов, а также закономерностей технологических процессов, обеспечивающих безопасную разработку участков массива в динамике, характеризующихся наличием таких зон, до настоящего времени не изучены. Четвертый принцип проектирования связан с целенаправленным формированием и разработкой техногенных месторождений. В ИПКОН РАН создан мощный задел в данной области. Основные фундаментальные основы таких технологий созданы научной школой акад. К.Н. Трубецкого [3, 28, 29].
Пятый принцип является самым значимым с позиций экологической безопасности. Решение вопросов переработки отходов не решает проблемы последующего накопления вторичных отходов. Многомиллионные массы вторичных отходов могут быть утилизированы только после создания инновационных технологий, направленных на приведение их в инертное (химически неактивное) состояние. После изучения вещественного состава и свойств таких инертных отходов возможно создание технологий их захоронения, преимущественно в ранее пройденных и специально создаваемых выработанных пространствах.
Таким образом, первоочередными задачами вовлечения техногенных образований в промышленную эксплуатацию является решение вопросов, связанных с изучением хвостохранилищ как объектов перспективной разработки с получением достоверной картины не только по содержаниям ценных компонентов по глубине и площади хвостохранилищ, но и в первую очередь для оценки структуры и свойств массивов, зонального распределения минеральных форм и агрегатов как основы технологии разработки техногенных месторождений.
