Скважинная технология добычи титано-цирконовых песков Тарского месторождения

Несмотря на известные успехи отечественной горной промышленности в прошлом, по двум важнейшим показателям Россия прогрессивно отстает от развитых стран — по производительности труда и потреблению минерального сырья на душу населения.

В странах СНГ после распада СССР произошло резкое сокращение объемов производства минерального сырья и продуктов его переработки, лежащих в основе функционирования любой отрасли промышленности, причем не столько вследствие экономических обстоятельств, сколько в силу политических причин — в СССР каждая республика добывала столько минерального сырья, сколько нужно было для удовлетворения потребностей СССР и СЭВ, а не только собственной промышленности. В новых политических условиях это положение стало анахронизмом.

Россия, являясь крупнейшим потребителем титано-циркониевого сырья в СНГ, практически не имеет к настоящему времени собственных промышленно разрабатываемых месторождений данных минералов. Все известные, имеющие крупное промышленное значение и разрабатываемые циркон-ильменитовые месторождения бывшего СССР, остались на Украине (Малышевское и Волчанское). К настоящему времени Россия, испытывая устойчивый дефицит титанового и циркониевого сырья, достигающий 30-40% потребности, ежегодно ввозит большое их количество не только с Украины, но и с мирового рынка. Поэтому развитие собственной добычи титано-циркониевого сырья является одной из приоритетных задач горной промышленности России в целом.

В связи с этим, на территории России проводятся значительные геологоразведочные работы по выявлению отечественных промышленных циркон-ильменитовых россыпей. Однако существенный прирост добычи данного  сырья может быть обеспечен только за счет промышленного освоения уже разведанных и подготовленных к эксплуатации россыпных месторождений комплексного типа, таких как Тарское (Омская обл.) и Лукояновское (Нижегородская обл.). Выход из сложившейся ситуации – в рачительном использовании собственных природных ресурсов, обеспечивающих политическую и экономическую независимость страны, и в активном использовании новейших достижений горной науки и техники.

Еще в 1932 г. в США Эдвином Клайтором и в 1936 г. в СССР П.М.Тупицыным был предложен способ скважинной гидродобычи (СГД), в результате использования которого через скважины на поверхность земли полезные ископаемые поступают в виде гидросмеси. Лишь спустя 30 лет была начата разработка технологии СГД в горном Бюро США и, начиная с 1964 г., сотрудниками ГИГХСа на месторождениях фосфоритов в Прибалтике. В 70-х годах сотрудники МГРИ начали разработку технологии и технических средств СГД на месторождении урано-фосфорных руд.

В начале 90-х годов область полезных ископаемых, на месторождениях которых были проведены опытные работы способом СГД, расширилась: положительные результаты были получены на месторождениях россыпного золота, кимберлитов, титано-циркониевых песков, железных руд.

Несомненные преимущества способов скважинной геотехнологии добычи полезных ископаемых как нельзя лучше соответствуют условиям рыночной экономики:

  • относительно низкие удельные капитальные вложения в строительство рудника СГД;
  • относительно низкий общий объем капитальных вложений (в 2-10 раз меньше, чем в строительство карьеров и шахт);
  • небольшой срок строительства предприятия (1-3 года);
  • сравнительно быстрая окупаемость капитальных вложений (2-4 года);
  • высокое качество получаемой продукции, что в ряде случаев не требует строительства традиционных обогатительных фабрик;
  • высокая производительность труда;
  • гибкость производства, объемы которого при прочих равных условиях можно изменять в широких пределах;
  • возможность отрабатывать небольшие месторождения и месторождения, характеризующиеся чрезвычайно сложными (для традиционных способов добычи) горно-геологическими условиями;
  • высокая безопасность добычных работ, исключающих присутствие людей в очистном пространстве;
  • возможность работы вахтовым способом ввиду незначительного числа людей, занятых на добычном комплексе (от десятков до первых сотен человек);
  • относительно низкое негативное воздействие на окружающую среду.

Решениями «Комитета по природным ресурсам и природопользованию».Госдумы РФ по итогам парламентских слушаний «Концепция перехода России на модель устойчивого развития» от 25 окт. 1994 г. отмечено, что “технологию скважинной гидродобычи (СГД) ... следует считать приоритетным направлением структурной политики, определяющим основу дальнейшего экономического роста страны без ущерба экологическим системам”.

Организация производства циркон-ильменитовых концентратов из руд Тарского месторождения позволит существенно снять дефицит циркон-ильменитового сырья для отечественных потребителей. Сложные условия залегания россыпи предопределили способ СГД как единственно возможный в данных горно-геологических и гидрогеологических условиях. Применение для разработки Тарской россыпи технологии СГД дает необходимую основу для достижения указанных целей в кратчайшие сроки и с минимумом начальных инвестиций. Исходные рудные пески россыпи содержат основные минералы: ильменит до 70,0 кг/м3, сумма минералов рутила, анатаза и брукита до 8,0 кг/м3, циркон до 30,0 кг/м3. Суммарное содержание этих минералов в тяжелой фракции изменяется от 52 до 81%, в среднем составляя 71.0%.

В 1993-95 г.г. на базе запасов опытного блока Тарского месторождения акционерным обществом «Цирконгеология» построен опытно-промышленный участок по скважинной гидродобыче рудных песков производственной мощностью 40 тыс. м3 песков в год, который фактически является единственным в настоящее время действующим предприятием СГД в России.

Разработкой и внедрением технологии СГД на опытно-промышленном участке месторождения занимались сотрудники научно-производственного центра «Геотехнология».

По горно-геологическим и гидрогеологическим условиям опытный блок Тарской россыпи является весьма сложным для разработки. Рудовмещающий горизонт перекрыт водонасыщенными, безрудными разнозернистыми с примесью гравия песками мощностью от 0 до 6 м, составляя в среднем 3 м. Для его разработки предложена система СГД с обрушением руды и вмещающих пород.

Добычные работы осуществляются со специальной наземной управляющей установки (рис.1) скважинными гидродобычными снарядами СГС-3 путем размыва рудной залежи с образованием очистной выработки диаметром до 10-12 м, что обеспечивает процесс самообрушения кровли. Рудная пульпа выдается гидроэлеватором на поверхность, транспортируется на промежуточный склад песков (рис. 2) и далее на обогатительную установку модульного типа для первичного обогащения. Наземная управляющая установка повышает безопасность работ и обеспечивает проведение всех необходимых операций по спуску, подъему и управлению добычным снарядом. Один из вариантов системы разработки Тарской россыпи представлен на рис.3

В процессе опытных работ проверены различные технологические схемы добычи и их элементы. На стадии вскрытия месторождения при бурении технологических скважин производится отбор керна с целью уточнения положения рудного пласта. Наряду с отбором керновой пробы, проводились геофизические работы с применением радиолокации в ультракоротковолновом диапазоне. Результаты геофизики сопоставлялись с результатами кернового опробования, что дало возможность с высокой точностью определить геологические показатели и уточнить технологию и параметры отработки камеры.

Подготовительные работы при СГД, как правило, сводились к сооружению технологических скважин. Конструкция технологической скважины определялась условиями залегания рудного пласта и размерами скважинного добычного оборудования. Породы, покрывающие рудный пласт, в интервале 0-48 м представлены переслаивающимися тонко- и мелкозернистыми песками, суглинками и алевритами. Непосредственная кровля пласта (48-52 м) представлена сильно обводнёнными разнозернистыми песками с мелким гравием и галькой. Рудный пласт мощностью от 9 до 12 м сложен тонко-и мелкозернистыми песками с прослоями алеврита. Подстилающими породами являются алевриты с тонкими прослоями глины и песка (62-66.5 м). Породы кровли и подошвы содержат следы циркона и ильменита.

Горно-геологические условия предопределили необходимость крепления стенок добычной скважины обсадными трубами до кровли рудного пласта с тампонированием башмака обсадной колонны в интервале 48-52 м. Устье скважины вокруг обсадной колонны тампонировалось глиной на участке 1.5-2.0 м для предотвращения его осыпания.

После спуска обсадной колонны и тампонирования в зоне башмака производилось вскрытие рудного пласта с углубкой в подстилающие породы на 1.5-2.0 м.

В процессе опытной добычи установлено, что изоляции вышележащего водоносного горизонта необходимо уделять особое внимание, так как от этого зависит качество извлечения и в итоге экономическая эффективность отработки камеры в целом.

Добыча рудных песков осуществлялась скважинным гидродобычным снарядом СГС-3 с расчетной производительностью по твердому 25 м3/час. Внешний диаметр става составлял 168 мм, диаметр проходного сечения камеры смешения — 50 мм, диаметр пульпоподъёмного става — 108 мм. Энергетическая вода к СГС-3 подавалась насосной станцией ЦНС-180/425, а также дизельной насосной установкой ПНУ-200 под давлением 4.0-4.5 МПа.

В процессе опытных работ средняя производительность снаряда составила 29.0 м3/ч, достигая на отдельных скважинах 40 м3/ч. Объём извлекаемых песков через одну скважину составил 400-800 м3. Сложность извлечения рудных песков по всей мощности заключалась в том, что при извлечении определенного объёма рудных песков и обнажении неустойчивых крупнозернистых песков кровли начинается их интенсивное перетекание в добычную камеру и происходит значительное разубоживание рудных песков при соответствующем увеличении времени добычи. Увеличение времени добычи приводит к превышению допустимого времени устойчивости кровли, что приводит в свою очередь к ее обрушению и прекращению добычи. По опыту работ 1995-97 г.г. время выхода обрушения на поверхность составило 18-22 ч от начала добычи.

Ограничение времени добычи пре-дъявило ряд задач для дальнейшего совершенствования технологии добычи и оборудования, а именно:

  • увеличить кратковременную устойчивость кровли;
  • уменьшить время добычи за счет применения снарядов с большей производительностью;
  • обосновать и применить селективную отработку наиболее богатой части пласта.

Для решения поставленных задач при проведении опытных работ были применены следующие варианты формирования добычной камеры: шаговым перемещением направления струи по всей площади сектора через некоторые интервалы времени, необходимые для достижении радиуса размыва, обеспечивающего кратковременную устойчивость кровли. Размыв проводился с проработкой всего сектора от подошвы продуктивного пласта в направлении кровли, или непрерывным многократным перемещением струи в пределах сектора от основания наиболее продуктивной части рудного пласта в направлении кровли, после чего отрабатывается нижележащий сектор до начала интенсивного обрушения кровли.

Первый вариант обеспечивает отработку объёма камеры в пределах продуктивного горизонта, не предотвращая процесса разубоживания из-за перетоков пород кровли, снижая качество рудных песков. При явно выраженном слое высококачественных рудных песков такая схема снижает показатели эффективности добычи.

Второй вариант обеспечивает извлечение наиболее продуктивного слоя рудных песков с минимальным разубоживанием. Отработка нижележащего слоя становится нерентабельной при запасах полезного ископаемого в этом слое менее 15% от объема извлекаемых из камеры песков. Для определения целесообразности продолжения добычи проводится опробование извлекаемой пульпы и в случае некондиционного содержания полезных компонентов добычные работы из данной скважины прекращаются

При проведении работ по опробованию вынимаемых песков в качестве показателя содержания полезного компонента принималось содержание условного ильменита.

Пробы, отобранные из пульпы, обрабатывались в участковой лаборатории. По полученным результатам оценивалась правильность выбора интервала размещения гидродобычного оборудования и режима его работы. Полученные результаты сопоставлялись с исходными данными и параметрами, указанными в технологическом паспорте, и на этом основании делался вывод о полноте и качестве добычи по эксплуатационной камере. Статистическая обработка этих данных позволяет обосновать технологические показатели, что в свою очередь дает возможность оперативно управлять процессом добычи и обеспечить отработку месторождения с минимальными потерями и разубоживанием, а также снизить энергетические затраты за счёт оптимального режима ведения добычных работ.

Технологическая схема разработки опытно-промышленного участка предусматривает рекультивацию поверхности после завершения добычных работ.

Территория опытно-промышленного участка расположена в пойме русла старицы р. Иртыш и подвергается сезонному затоплению, в связи с чем не была занята активным земледелием, а использовалась под выпас скота и сенокос.

Последствия добычных работ проявляются в виде проседаний или провалов поверхности и представляют замкнутое корытообразное углубление величиной до 5-7 м и диаметром 4-6 м.

В этой связи основной целью рекультивации на участке добычных работ является восстановление ландшафта и нормальных экологических условий местности.

Технологическая схема рекультивации состоит из следующих операций: засыпка провалов; планировка поверхности; нанесесение и планировка почвенно-растительного слоя. Первые две операции выполняются практически одновременно с разработкой, так как крупнозернистые пески и закладочный материал из хвостохранилища засыпаются в провалы после выхода обрушения на поверхность. Площади, отчуждаемые под сооружение хвостохранилища, водозабора и илоотстойников, могут быть использованы после проведения работ по их очистке под пруды для разведения пресноводной рыбы.

Обогащение песков проводится в два этапа с разрывом технологической цепи на стадии получения чернового коллективного титан-цирконового концентрата. Первичное обогащение производится непосредственно на месте добычи на установке модульного типа.

Учитывая, что при способе СГД в забойном пространстве идёт полная дезинтеграция песков, возникает необходимость изучить влияние СГД на физические и технологические свойства россыпи.

Результаты минералогического анализа проб керна добычных скважин 4Д, 5Д, 6Д и карты намыва песков способом СГД (табл. 1) показали, что потерь тяжелой фракции в пульпе на практике не происходит.

Сравнение минералогического состава песков по керну скважин и пробам с карты намыва и распределение содержания по классам крупности (табл. 2) показало относительную сходимость полученных данных.

По вещественному составу редкометалльные титан-циркониевые пески Тарского месторождения относятся к тонкозернистым. Способ скважинной гидродобычи, как было показано выше, оказывает положительное влияние на процесс дезинтеграции, способствуя разрушению комков песчано-глинистого материала. На карте намыва пески представлены однородной, рыхлой массой. Этот факт, а также снижение более чем в два раза количества глинистого материала, позволило исключить из аппаратурной схемы первичного обогащения песков скруббер-бутару и одну стадию обесшламливания, что упрощает получение коллективного концентрата.

На технологической пробе, добытой способом СГД, были проведены испытания по её обогащению в полупромышленных условиях и оценка потребительских свойств продуктов обогащения. На участке работ СГД рядом с картой намыва был смонтирован технологический модуль для получения чернового концентрата и отвальных хвостов производительностью 50 т/ч по твердому.

Технологическая схема первичного обогащения песков (рис. 4а) позволила получить коллективный концентрат, содержащий 42% ильменита, 14% циркона, 32% рутила с извлечением от исходных песков 91%, 94% и 93% соответственно и выходе 6.24%.

Далее в стационарных условиях на базе Броницкой ГГЭ были получены ильменитовый, цирконовый и рутиловый концентраты (рис. 4б), по своему составу удовлетворяющие требования соответствующих ГОСТов и ОСТов.

Полученный цирконовый концентрат, содержащий 65.2% Zr O2+HfO2,  соответствует требованиям ОСТ 48-82-81 по содержанию основных компонентов и лимитирующих примесей. Рутиловый концентрат содержит 94.4% TiO2 и по всем параметрам соответствует требованиям ГОСТ 22938-73 к данному сырью. Ильменитовый концентрат содержит 54.3% TiO2 и по своему качеству соответствует ТУ 48-4-236-72.

Получение в результате проведения полупромышленных испытаний партии конечных концентратов позволило провести маркетинговые исследования по их использованию в традиционных и нетрадиционных направлениях в промышленности.

Одним из нетрадиционных, но весьма перспективных направлений использования продуктов обогащения песков Тарского месторождения, можно считать исследования ТОО “СМИТ” по изготовлению из ильменита сварочных электродов. Была получена партия электродов высокого качества и соответствующих всем предъявляемым к ним требованиям.

Проведенные маркетинговые исследования показали большую потребность в продуктах переработки циркон-ильменитовых песков.

Сравнение экономических показателей разработки Тарского (способом СГД) и Лукояновского (открытым способом) месторождений (табл. 4) подтвердили экономическую эффективность способа СГД для добычи титано-цирконовых песков. Однако из-за отсутствия финансирования на строительство перерабатывающего комплекса и отсутствия средств на финансирование текущей деятельности работы на участке СГД практически остановлены.

Журнал "Горная Промышленность" №2 1998