ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

Разработка технологии комплексного освоения забалансовых запасов медно-колчеданных руд.

Рекомендуемая область пременения

Горно-обогатительные и горнодобывающие предприятия.

Назначение, цели и задачи проекта

Основное назначение проекта – разработка современных высокоэффективных и экологических технологий, поиск комплексных методов извлечения полезных компонентов.

В настоящее время на большинстве медно-колчеданных месторождений наблюдается резкое сокращение балансовых запасов руд, что приводит к истощению минерально-сырьевой базы горнодобывающих предприятий. Вместе с тем, принятые в проектах физико-технические технологии не позволяют вовлечь в эффективную отработку все запасы медно-колчеданных руд. В подземном пространстве за проектным контуром в бортах и основании карьеров остаются выклинивающиеся в массиве и распределённые по периметру рудные участки; в шахтных полях неполностью отрабатываются бедные руды и маломощные рудные залежи, отдалённые локальные рудные тела, а также запасы, расположенные в неблагоприятных горно-геологических условиях.

Так, на территории Узельгинского месторождения сосредоточено 65 пологих линзообразных рудных тел, расположенных в двух стратиграфических уровнях, из которых лишь 9 тел относятся к балансовым запасам, а 56 - к забалансовым. Октябрьское месторождение представлено 64 рудными телами, из них 44 - балансовые запасы, а 20 - забалансовые, характеризующиеся большой глубиной залегания и отдалённостью от вскрывающих выработок.

На горных предприятиях медь также присутствует в подотвальных и шахтных водах с содержанием 50 – 500 мг/дм3. После очистки сточных вод часть металла теряется в шламах. Только на Башкирском медно-серном комбинате с промышленными стоками ежегодно теряется 210 т меди.

Поэтому задача изыскания технологии, обеспечивающей возможность вовлечения забалансовых запасов месторождений и медьсодержащих промышленных стоков в эффективное промышленное использование, на сегодняшний день весьма актуальна.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Анализ кризисной ситуации, сложившейся в настоящее время в минерально-ресурсном комплексе нашей страны, показал, что основной её причиной является использование в горной промышленности концепции экстенсивного недропользования, что приводит к значительному ухудшению качества и исходных характеристик большинства месторождений полезных ископаемых. Очевидно, что дальнейший рост добычи минерального сырья только физико-техническими способами приведёт к значительному увеличению объёмов отходов и усилению негативного техногенного воздействия со стороны горного комплекса на окружающую природную среду. Поэтому были созданы принципиально новые физико-химические геотехнологии, которые предусматривают извлечение из недр, в основном, только той части месторождения, которая в дальнейшем будет полезно использоваться без вовлечения в разработку вмещающих пород. Различные варианты этой технологии предусматривают непосредственную добычу полезного ископаемого методом скважинной гидродобычи, или после его преобразования методами подземного выщелачивания, выплавки серы и др.

В современных условиях физико-химические геотехнологии не позволяют вовлечь в эффективную отработку все запасы полезных ископаемых. Поэтому возникла настоятельная необходимость в создании технологий геохимической подготовки  полезных ископаемых к последующей их разработке, которые  предусматривают не количественное получение нового минерального сырья, а качественное преобразование и пространственное перераспределение минерального вещества.

В основу геохимической подготовки положены следующие принципы:

- предварительная и целенаправленная подготовка месторождений полезных ископаемых, расположенных на месте естественного залегания в недрах Земли, к последующему их освоению, проводимая ещё на стадии геологоразведки;

- обеспечение техногенного рудообразования, как на дневной поверхности, так и в недрах Земли;

- контролируемое изменение состояния сбрасываемых минеральных отходов добычи и переработки, адаптированное к геохимическим особенностям ландшафта, расположению и функционированию горного предприятия.

Работа над технологией геохимической подготовки бедного минерального сырья к промышленному использованию ведётся с 1987 г. Впервые достаточно полно концепция освоения минеральных ресурсов в литосфере была сформулирована акад. К.Н. Трубецким и развита в трудах проф. А.Е. Воробьёва и других.

Одним из главных факторов, определяющим тип технологии геохимической подготовки, является расположение минерального объекта. Первоначально авторами были созданы технологии для уже сформированных на земной поверхности техногенных минеральных объектов - отвалов металлсодержащих пород и некондиционных руд. Для этого необходимо было складировать горную массу так, чтобы обеспечить процесс природного выщелачивания полезных компонентов из слоя металлосодержащих пород, миграцию минерализованных растворов с последующим переосаждением в слое некондиционных руд. За счёт перераспределения полезных компонентов в пространстве обеспечивается  повышение металлов в слое некондиционных руд до промышленных кондиций.

При разработке схем обогащения некондиционных руд в отвалах необходимо создать активное взаимодействие между выщелачиваемым и обогащаемым слоями, позволяющее не только интенсифицировать процесс перераспределения металлов, но и управлять направлением его миграции. Весьма важным положением при разработке также является осуществление техногенного переосаждения полезного компонента не на пустые породы, а на прежде некондиционные или бедные руды. Только в этом случае возможен существенный экономический эффект в будущем. Этот подход эффективен как для ранее сформированных техногенных минеральных объектов, так и для природных месторождений.

При реализации технологий геохимической подготовки необходимо учитывать то, что наиболее важную роль в перераспределении полезных компонентов имеет форма и вид геохимических соединений. Существенным элементом механизма техногенного рудообразования являются геохимические барьеры (теория которых была основана проф. А.И. Перельманом), т.е. зоны с резко различающимися геохимическими свойствами. Техногенное осаждение большинства металлов в горном массиве возможно на таких барьерах, как гидродинамический, сорбционный, окислительный, восстановительный, кислый, щелочной, радиационно-химический и испарительный.

Процесс перераспределения металлов в горном  массиве состоит из их растворения, миграции и переосаждения. Влияя на каждую стадию, можно значительно повысить эффективность обогащения внутри отвала.

Обогащение внутри отвала можно интенсифицировать за счёт электрохимических процессов. Отвальный массив формируют и обрабатывают так, чтобы в одном слое были окислительные условия, а в другом слое – нейтральные или восстановительные. Создание таких условий способствует росту разностей потенциалов  между  слоями и,  как правило,  интенсифицирует  процесс растворения и  миграции  металлов.  Электрохимическое растворение полезных компонентов наиболее эффективно вести при хранении в хвостохранилище минералов, содержащих полезный компонент в труднорастворимой форме.

Многими исследованиями показана возможность повышения интенсификации внутримассивного обогащения  за счёт магнитного воздействия, ультразвука, добавки химических веществ в состав растворителя, а также микробиологических культур.

В дальнейшем были разработаны технологии геохимической подготовки для минерального сырья, расположенного в гидросфере.

Следующий этап развития технологии заключался в создании технологий геохимической подготовки для улучшения исходных свойств минерального сырья  и его характеристик непосредственно в недрах Земли, что исключает необходимость в извлечении при освоении месторождения полезных ископаемых значительных объёмов вмещающих пород или некондиционных масс.

При разработке технологий геохимической подготовки руд учитывается неравномерность распределения полезных компонентов в массиве. По геологическим подсчётам в богатых месторождениях 5 % от общего количества полезных компонентов распределены неравномерно,  в рядовых – 30 %, а бедных и убогих – уже 65 %. Наибольшее число полезных компонентов находится за границами рудного тела во вмещающих породах, что предопределило необходимость разработки технологий геохимической подготовки к промышленной разработке путём перераспределения минеральных веществ в массиве. Масштабы предварительной геохимической подготовки месторождения полезных ископаемых, а также техногенного рудообразования зависит от многих факторов, наиболее существенными из которых являются:

-геолого-структурные морфологические особенности залегания рудных тел или зон;

-вещественный состав и физико-механические характеристики вмещающих пород;

-содержание металла в рудах и вмещающих породах;

-гранулометрический состав руд и вмещающих пород;

-состав и тип активных агентов, используемых для перераспределения полезных и технологически вредных элементов;

-формы миграции и концентрации металлов;

-состав, физико-химические свойства и гидродинамические характеристики металлоносных растворов;

-вид и показатели применяемых геохимических барьеров.

В основе геохимической подготовки минеральных ресурсов лежат, прежде всего, процессы выщелачивания полезного компонента из металлосодержащих пород, целенаправленной миграции металлоносного раствора и его осаждение в пределах бедных и убогих руд.

Таким образом, геохимическая подготовка бедных медно-колчеданных руд к промышленной разработке может улучшить исходные свойства минерального сырья и его характеристик непосредственно в недрах Земли. Это позволит не извлекать при освоении месторождения полезных ископаемых значительных объемов вмещающих пород или некондиционных масс. Применительно к медно-колчеданным месторождениям закономерности геохимической подготовки разработаны не были. Поэтому возникла настоятельная необходимость в создании технологии геохимической подготовки забалансовых запасов месторождений к последующей их разработке, которая включает растворение ценных компонентов из медно-колчеданных руд методом скважинного выщелачивания и осаждение ионов меди в локальном объёме на геохимическом барьере.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Для эффективного вовлечения забалансовых запасов медно-колчеданных месторождений в промышленную разработку необходимо разделить руды на участки скважинного выщелачивания меди из неблагоприятных для промышленной добычи рудных тел и участки осаждения меди на обогащаемых колчеданных рудах.

В основу алгоритма отбора рудных тел положены их горно-геологические и горнотехнические характеристики (рис. 1). Горно-геологическими критериями отбора тел являются: содержание вредных примесей, зональное расположение сортов руды в контуре залежи, а также наличие пиритной минерализации во вмещающих породах. К горнотехническим критериям относятся неправильная форма залежей и пространственная отдалённость рудных тел от имеющихся горных выработок. Рудные тела, обладающие одним из этих критериев, будут подвергаться скважинному выщелачиванию, а остальные обогащаться на месте их залегания.

Рис. 1. Алгоритм выбора технологии освоения забалансовых запасов медно-колчеданных месторождений.

Технология освоения забалансовых запасов медно-колчеданных месторождений включает 2 этапа: подготовка рудных тел к геохимическим процессам и проведение процессов выщелачивания и осаждения.

Алгоритм подготовки рудных тел к геохимическим процессам представлен на рис. 2. Первоначально осуществляется разделение забалансовых запасов медно-колчеданных месторождений на донорские, предназначенные для выщелачивания меди, и обогащаемые на месте залегания, используемые в качестве геохимического барьера для осаждения ионов меди.

Рис. 2. Схема подготовки забалансовых запасов  к геохимическим процессам.

Вскрытие рудных тел для выщелачивания производится горными выработками, пройденными из уже существующих на подземном руднике. Подготовка рудных тел к выщелачиванию включает проходку подготовительных горных выработок, бурение и монтаж оборудования в нагнетательных и откачных скважинах.

Одновременно проводится подготовка рудных тел к осаждению,                    состоящая из проходки подготовительных и нарезных горных выработок – штреков и ортов, проведения буровзрывных работ с целью дробления руды до размеров кондиционного куска и монтажа оросительной системы.

Подготовительные работы в массиве ведутся одновременно со строительством поверхностных или подземных комплексов подготовки растворов для выщелачивания и осаждения. Комплекс подготовки растворов для выщелачивания  включает в себя следующие основные сооружения: узлы для приготовления выщелачивающих растворов, трубопровод для транспортирования технологических растворов, насосные станции для перекачки растворов  в отстойники и очистки растворов от примесей железа и других механических осадков. Комплекс подготовки растворов на осаждение состоит из узла подготовки растворов на осаждение, трубопровода для транспортировки технологических растворов, насосной станции для подачи растворов на осаждение и их перекачки на узел подготовки комплексного растворителя.

После проведения основных операций по подготовке рудных тел осуществляется выщелачивание и осаждение. Схема геохимических процессов представлена на рис. 3. За основу раствора для выщелачивания берутся шахтные воды. Из общего водосборника насосами шахтные воды подаются к узлу подготовки комплексного растворителя для доведения их до необходимой концентрации растворителя, состоящего из серной кислоты и окислителя.

Комплексный растворитель нагнетается в рудное тело по закачным скважинам. Сбор продуктивного раствора рекомендуется проводить откачными скважинами. Сетка расположения скважин 25х15 м. Раствор после выщелачивания содержит 2,6 г/л меди.

Доставка продуктивных растворов к обогащаемому на месте залегания рудному телу осуществляется по магистральным трубопроводам. Перед подачей продуктивные растворы очищаются от примесей двух- и трёхвалентного железа путём нейтрализации  растворов известью до рН = 2,5-3,5.

Очищенные продуктивные растворы анализируются на соответствие параметров среды минералообразования. Метасоматическое замещение железа ионами меди рекомендуется проводить при значении рН равном 2,5 и Eh от 0,01 до 0,15 В. Продуктивные растворы подают на узел восстановления, где кислотность раствора повышается серной кислотой, а окислительно-восстановительный потенциал  понижается тиосульфатом натрия при расходе 35 кг/т. Сбор маточного раствора рекомендуется проводить в подошве рудного тела дренажными выработками и после очистки доукреплять растворы серной кислотой и сульфатом железа (III) и направлять их в оборот на выщелачивание.

Рис. 3. Последовательность процессов выщелачивания и осаждения. 

Впоследствии обогащённое рудное тело отрабатывается традиционными физико-техническими способами. Применительно к медно-колчеданным маломощным рудным телам рекомендуется использовать камерную систему разработки.

На базе установленных геотехнологических закономерностей выщелачивания и осаждения меди и с учетом горно-геологических и горнотехнических особенностей исследуемых месторождений предложена принципиальная технологическая схема комплексного освоения забалансовых запасов медно-колчеданных месторождений физико-химическим способом.

Критерии и пределы безопасного состояния и режимов работы:

При реализации данной технологии необходимо учитывать безопасность ведения горных и взрывных работ, работ с химическими реагентами в соответствии с требованиями действующих правил безопасности.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Внедрение данного проекта позволит сократить затраты на:

- капитальные расходы, поскольку технология реализуется на работающем руднике;

- обогатительный передел, в связи с увеличением содержания полезных компонентов на стадии осаждения;

- на утилизацию химзагрязненных стоков и плату за экологические платежи за счет вовлечения промышленных вод в технологический процесс.

Для полного технико-экономического обоснования технологии для конкретного объекта необходимо знать горно-геологические и горнотехнические условия месторождения, петрографические и механические характеристики руды и вмещающих пород.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Показатели энерго-трудосбережения могут быть рассчитаны только для конкретных условий месторождений.

Экологическая безопасность. Вовлечение шахтных и карьерных вод в технологический процесс сокращает сбросы тяжелых элементов в водоемы.

Оптимальной концентрацией для выщелачивания является 2 % - ная H₂SO₄, которая обеспечивает необходимую кислотность раствора (рН=0,7) и согласуется с экологическими требованиями. Для повышения значения Eh среды лучше проводить процесс перевода ионов меди в раствор в режиме сернокислотного выщелачивания с окислителем.

Новые потребительские свойства продукции

- расширение минерально-сырьевой базы;
- повышение содержания полезных компонентов в руде.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Медно-колчеданные руды уральского типа.

Стадия и уровень разработки

По данной технологии был разработан проект для проведения опытно-промышленных испытаний.
В качестве объекта опытно-промышленной апробации технологии выщела-чивания руд на месте их залегания по согласованию со специалистами Бурибаев-ского ГОКа было выбрано рудное тело № 11, представленное некондиционными медно-колчеданными рудами. Изучены представительные пробы руды данного участка, определен их минеральный и петрографический состав, особенности ми-нерализации, физико-механические свойства.
В лабораторных условиях определен состав раствора для выщелачивания, способы его подачи в массив, система сбора и циркуляции продуктивных раство-ров. Даны рекомендации по их переработке.
Выполненный анализ горно-геологических и горнотехнических условий разработки р.т. № 11 позволил установить, что ранее пройденные подземные вы-работки могут быть использованы для подготовки данного рудного тела к выще-лачиванию.
Произведен расчет параметров буровзрывных работ для взрывания массива в зажатой среде веерами скважин на раскрытие трещин и создание наведенной трещиноватости. Реализация технологии позволит обеспечить площадное ороше-ние рудного тела и глубокий доступ растворителя в массив по развитым системам трещин.
На базе выполненных исследований подготовлен проект на опытно-промышленную апробацию физико-химической геотехнологии освоения забалан-совых запасов на примере отработки камеры № 1 в отметках 105-145 м рудного тела № 11.

Предлагаемые инвестиции

5 млн. руб.

Рынки сбыта

Учитывая проблемы горно-обогатительных и горнодобывающих предпри-ятий, в первую очередь разрабатывающих медно-колчеданные месторождения Урала, по минерально-сырьевой базе, предлагаемая технология, обеспечит воз-можность вовлечения забалансовых запасов месторождений в эффективное про-мышленное освоение.

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемая в проекте технология не имеет аналогов на мировом рынке.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

48

Дата поступления материала

25.10.2006