Маркшейдерия и недропользование

Во второй половине ХХ века в горнодобывающей отрасли России резко обозначились три крупных проблемы: ресурсная, экологическая и социально-экономическая, особенно обострившиеся после распада СССР. Ресурсная проблема обусловлена выработкой практически по всем полезным ископаемым богатых, достаточно хорошо обогатимых руд большинства месторождений, нерациональной переработкой многих комплексных руд, и в связи с этим, необходимостью освоения трудно обогатимых, так называемых «упорных» руд, имеющих сложный вещественный состав и требующих применения более совершенных технологических схем и режимов, а также высоких материальных и трудовых затрат (примерно в 3-10 раз выше, чем при обогащении руд простого состава).

С распадом СССР в России образовался дефицит некоторых металлов (хрома, марганца, титана, свинца и цинка), добыча и производство которых развивались на территориях Украины, Грузии, Казахстана и Узбекистана.

По данным российских ученых, большинство находящихся на государственном балансе рудных месторождений России, в связи с низкими мировыми ценами на конечную продукцию, могут перейти в категорию забалансовых, так как их разработка с применением традиционных технологий становится нерентабельна. Переоценка некоторых месторождений с учетом указанного фактора свидетельствует, что в категорию забалансовых перейдет от 15 до 30% титановых, медных, вольфрамовых, 34% свинцовых и магнетитовых, 49% – оловянных и руд некоторых других металлов [1-3].

Одновременно к концу ХХ века только на территории России (на площади свыше 2 млн. га) накоплено более 100 млрд. т различных горнопромышленных отходов, причем порядка 1,6 млрд. т из них – высокотоксичные. По данным Федеральной целевой программы «Отходы», принятой постановлением Правительства РФ № 1098 от 13.09.96 г., ежегодно в России образуется около 7 млрд. т отходов, а используется – менее 2 млрд. т. Для их складирования ежегодно отчуждается более 10 тыс. га земель [4].

Общее количество накопленных к настоящему времени минеральных отходов и масса ежегодно образующихся примерно на два порядка превышает общую мощность горных предприятий. Иначе говоря, рассматривая гипотетический случай возможного перехода всех обогатительных и горно-металлургических заводов страны только на переработку отходов, мы получим срок их переработки не менее 100 лет.

По ориентировочной оценке, в объеме порядка 8,7 млрд. т отходов, накопленных в медной, свинцово-цинковой, никель-кобальтовой, вольфрамо-молибденовой, оловянной и алюминиевой промышленности, содержится (млн. т): 33,5 – Al₂O₃; 9,7 – цинка; более 9,4 – меди; 2,5 – никеля; 2,2 – свинца; 0,6 – олова; 0,2 – молибдена; порядка 1000 т золота, 12 тыс. т серебра и значительные количества редких и рассеянных металлов. Только с фосфогипсом, образующемся при сернокислой переработке апатита, теряется около 80 тыс. т в год редкоземельных металлов (РЗМ) – самарий, европий, гадолиний и пр. Учитывая большие объемы добычи и переработки фосфатного сырья, количество попутно извлекаемых РЗМ может удовлетворить потребности в этих металлах не только предприятий России, но и всего мира. Кроме этого, в хвостах обогащения Норильского ГМК накоплено более 800 т металлов платиновой группы.

Таким образом, запасы полезных компонентов в накопленных отходах равноценны открытию многих новых крупных месторождений [4].

Суммарная ценность извлекаемых металлов в накопленных горнопромышленных отходах, по ориентировочной оценке, более чем в 4 раза превышает оценку потенциальных ресурсов минерального сырья в недрах СНГ и сопоставима с ценой идентифицированных ресурсов или известных запасов в недрах, которые пока не используются [3]. Несмотря на такой огромный ресурсный потенциал, горнопромышленные отходы в России используются лишь как сырье для стройиндустрии и то не более 10% годового объема образования.

За рубежом из горнопромышленных отходов с помощью нетрадиционных технологий (различных видов выщелачивания) получают более 40% годового объема меди, 35% золота и другие металлы. Эта доля постоянно растет и в отдельных случаях превышает добычу из первичного сырья. При этом затраты на извлечение металлов уменьшаются в 1,5 - 3 раза [3,4].

Заскладированные отходы и некондиционное минеральное сырье в силу своих специфических свойств в процессе хранения во многих случаях претерпевают существенные изменения, значительно видоизменяются, теряют свои первоначальные технологические свойства и промышленную ценность [5]. Это касается, в первую очередь, сульфидов цветных металлов, отвалы которых подвергаются интенсивному естественным химическому и бактериальному выщелачиванию и не только постепенно обедняются, но и являются мощными источниками загрязнения окружающей среды. Поэтому освоение горнопромышленных отходов нельзя откладывать на будущее.

Экологические последствия от заскладированных горнопромышленных отходов гораздо масштабнее, чем это традиционно считается, имеют глобальный характер и долговременное влияние на окружающую среду. Даже после прекращения эксплуатации месторождения и консервации горных выработок за счет гипергенных преобразований горных пород и минеральной составляющей горнопромышленных отходов, негативное экологическое воздействие на окружающую среду в данном регионе может продолжаться в течение 150-200 лет. В результате превращений, происходящих при длительном хранении отходов, образуются пыль, газы и химические элементы, загрязняющие не только почву, поверхностные и подземные воды, но и, в конечном счете, отрицательно влияющие на здоровье людей.

В целом по России горно-добычными работами нарушено около 12% земель, из которых не менее 40% напрямую связано с горнопромышленными отходами и их влиянием. Экологическая ситуация за счет добычи минерального сырья и размещения отходов на 25% территории Уральского экономического региона оценивается как кризисная.

Аналогичная ситуация отмечается и во многих горнопромышленных регионах России. Причем затраты на складирование отходов и решение возникающих экологических проблем стали близки к расходам на добычу самих полезных ископаемых [4,6].

Рис. 1.
Концепция и принципиальное решение экологических и сырьевых проблем

Существенным резервом снижения экологической нагрузки на окружающую среду является полное и комплексное использование добываемого сырья. Непозволительно низкая комплексность его использования в значительной степени является результатом ведомственного подхода к использованию сырья - каждая отрасль добывала и добывает сырье для себя, оставляя в отвалах ценные компоненты, которые на других предприятиях извлекаются из других месторождений.

Оптимальный выход из создавшейся ситуации – обязательная организация переработки горнопромышленных отходов, твердых и в виде минерализованных вод, являющихся нетрадиционными источниками минерального сырья и требующих нестандартных отношений к экономической и технологической целесообразности их освоения.

Авторами настоящей статьи разработан новый концептуальный подход и принципиально новые технические и технологические решения, позволяющие эффективно решать сложившиеся экологические и сырьевые проблемы (рис.1).

В основу решения этих проблем приняты следующие принципы:

• металлизация окисленного труднообогатимого сырья и восстановление металлов из растворов;
• вовлечение природных свойств окружающей среды в технологический процесс. Это относится к природной способности минерального высококремнистого сырья сорбировать ионы щелочных, щелочноземельных и цветных металлов, газы, органические соединения и пр.;
• целенаправленное химическое изменение минерального сырья с целью усиления его реакционной или сорбционной способности;
• химические контролируемые превращения различных ценных компонентов в новые соединения с последующим их извлечением.

Для реализации принципиальных решений разработаны новые методы, в большинстве случаев являющиеся оригинальными:

• низкотемпературное восстановление в пульпе окисленной поверхности минералов в металлическую форму;
• флотационное извлечение металлизированных форм (серебра, меди, висмута, ртути, рения) из растворов;
• выщелачивание в аппарате нового поколения – геоавтоклаве (геореакторе);
• разработка нового оборудования для флотации, обезвоживания, подготовки сырья к выщелачиванию и пр.

Конструкция геореактора представляет собой специально оборудованную шахту с оптимальной глубиной 50-300 м, разделенную на технологическую и подъемную секции (рис.2).

Рис. 2.
Принципиальная схема устройства геореактора

В верхней части технологической секции располагается обжиговая камера 3 с радиально расположенными боковыми проходами в нижерасположенную автоклавную камеру 4. В нижней части обжиговой камеры монтируются сопловые насадки для тангенциальной подачи сульфидного материала и реагентов.

В верхней части автоклавной камеры монтируются сопловые насадки для подачи (распыления) основной массы рудно-минеральной пульпы. Сюда же через отдельные насадки на разной глубине дополнительно подается кислород в дозируемых количествах, достаточных для поддержания необходимой скорости окисления компонентов пульпы. Так же через определенные интервалы в автоклавную камеру подаются дополнительные порции выщелачиваемого материала и реагентов.

Принципиальным отличием геореактора является то, что вместо сложных и громоздких систем, энергоемких и металлоемких механических средств высокого давления (насосы, компрессоры и т.п.) используется гидростатическое давление столба пульпы в автоклавной камере, плавно возрастающее с глубиной и зависящее лишь от плотности пульпы и высоты столба жидкости (оптимально 5-45 атм. на дне шахты при плотности пульпы 1,4-1,5 г/см³).

Подъемная секция 6 предназначена для вывода выщелоченной пульпы на поверхность с помощью аэрлифта. Насыщенная воздухом пульпа, имея меньшую плотность, выдавливается вверх вследствие более высокого гидростатического давления в технологической секции. В верхней части подъемной шахты монтируется трубчатый водяной теплообменник (змеевик) для охлаждения поднимающейся пульпы. На выходе из подъемной секции устанавливается разделительная камера 7 для отделения воздуха и пара от пульпы.

Таким образом, получается проточный, непрерывно действующий технологический аппарат, работающий по принципу сообщающихся сосудов, в котором пульпа последовательно проходит вначале зоны возрастающего, а затем снижающегося гидростатического давления. При этом на входе и выходе это давление минимально, что значительно упрощает систему ввода и выпуска пульпы по сравнению с традиционными автоклавами.

Корпус 2 геореактора расположен в массиве горных пород 1, прочность которых на сжатие позволяет противостоять любым высоким давлениям в автоклаве. В разрезе он состоит из внешней бетонной, средней железобетонной и внутренней – футеровочной оболочек, обеспечивающих достаточную жесткость и герметичность конструкции с близкими к горным породам низкой теплопроводностью и коэффициентами теплового расширения, что уменьшает вероятность термических деформаций и снижает теплопотери. Так, при внутреннем диаметре 2,0 м и глубине 200 м, его рабочий объем составит около 600 м³, а при диаметре 3 м и глубине 300 м – уже 1200 м³. В последнем случае производительность при условной продолжительности выщелачивания 1 час составит 50000 т/сут. исходного сырья (15 млн. т/год). Требуемая же производственная площадь для размещения подобного автоклава не превысит 150-200 м², что в десятки раз меньше, чем для традиционных автоклавов намного меньшего объема. К тому же создание автоклава общим рабочим объемом в 500-1200 м³ в традиционном исполнении практически нереально.

Принцип действия такой модификации геореактора (шахтного автоклава) следующий. Тонкоизмельченное сырье (коллективный флотационный концентрат, медно-цинковая руда или хвосты обогащения), содержащее менее 20% сульфидной серы, подается в обжиговую камеру. Образующийся раскаленный пылегазовый материал под действием нижних насадок подачи сульфидного материала активно (турбулентно) перемешивается в объеме обжиговой камеры, поднимается по спирали вверх и без каких-либо материальных и тепловых потерь переходит через верхние боковые каналы в автоклавную камеру, куда отдельно через распыляющие насадки поступает основная масса рудно-минеральной пульпы (пиритные хвосты обогащения или бедная руда с содержанием сульфидной серы 5-20%) и дополнительно подается кислород.

Рудно-минеральная пульпа поглощает раскаленный (600-800° С) пылегазовый материал обжига и разогревается за его счет до температуры 100-110° С. Объем газов резко уменьшается и их избыток через отдельный канал 5 в верхней части автоклавной камеры выводится на поверхность для утилизации.

Далее реакционный материал в фазе пульпы опускается вниз в зоны с более высоким гидростатическим давлением, где продолжается окисление сульфидов за счет добавочных порций кислорода, подаваемого через боковые насадки на разной глубине автоклавной камеры. При этом повышается температура пульпы и концентрация свободной серной кислоты, для нейтрализации которой до уровня оптимального гидролиза железа в автоклавную камеру подается малосульфидное сырье (металлургические пыли, клинкер, шлаки, окисленная руда и т.п.).

Наиболее рациональной представляется последовательно-совмещенная технологическая схема «обжиг–выщелачивание», при которой высокий энергетический потенциал окислительного обжига сульфидных материалов используется для теплообеспечения автоклавного процесса путем непосредственного перехода продуктов обжига в автоклав. Предлагается объединить обжиг и автоклавное выщелачивание техногенного и труднообогатимого природного минерального сырья (окисленного и бедного сульфидного) в единый, последовательный и непрерывный процесс.

Изменение структуры поверхности окисленных минералов целесообразно осуществлять непосредственно в пульпе с использованием разработанной и прошедшей апробацию в полупромышленных условиях технологии при обогащении труднообогатимых окисленных медных руд [5]. Например, обогащение и дальнейшая переработка окисленных сурьмяных руд и лежалых хвостов текущей переработки возможно по двум направлениям подготовки окисленной поверхности к флотации. Первое: изменение структуры поверхности окисленных минералов – сульфидизация в кислой среде и второе – восстановительный обжиг до металлизации окисленной поверхности.

Во всех случаях предлагается тот же принципиальный подход: максимальное извлечение металла в бедный флотационный концентрат с минимальными потерями в хвостах обогащения и последующим выщелачиванием в геореакторе с получением в дальнейшем чистого товарного металла и экологически чистого продукта для нужд строительного производства [6].

Наиболее эффективна переработка рудно-минерального сырья в геореакторе по схеме «кислородно-хлорирующий обжиг и окислительное сульфатно-хлоридное выщелачивание», при которой в состав подаваемого на обжиг сульфидного материала добавляется NaCl. Тогда в обжиговой камере по реакции:

2SO₃+4NaCl+O₂=2Na₂SO₄+2Cl₂

образуется хлор – газ, который и участвует в выщелачивании металлов (в том числе золота и серебра).

Этот вариант наиболее близок к идеальному процессу переработки рудно-минерального сырья по принципу «все в раствор – по одному из раствора». Он позволяет до минимума снизить потери полезных компонентов, с максимальной полнотой извлекать их в конечный продукт и сократить весь технологический процесс до двух основных стадий.

Достоинством этого варианта является также малозатратное получение основных реагентов (хлора и соляной кислоты) на месте из легкодоступных материалов - хлорида натрия и сульфидной серы.

Общая продолжительность технологического цикла по схеме «обжиг – контаминация – автоклавное выщелачивание – гидролиз – вывод продуктивных растворов» составляет 3 часа для высоко сульфидного многокомпонентного минерального сырья.

Этот геореактор имеет ряд важнейших достоинств по сравнению с традиционными автоклавами [7]:

• для создания и поддержания высокого гидростатического давления (до 30-45 атм.) не требуется мощных насосов, компрессоров и высоких энергетических затрат;
• упрощена система ввода и вывода пульпы из автоклава, что позволяет снизить затраты на малонадежные фланцевые соединения, запорную арматуру, дроссели сброса давления, перемешивающие устройства и пр.;
• не требует для своего сооружения применения специальных дорогостоящих металлов и конструкционных материалов, как и изготовления на специализированном предприятии;
• специальный автоклав занимает малую производственную площадь при значительной производительности. При рабочем объеме от 300 до 700 м³ для размещения автоклава и вспомогательного оборудования достаточно типового здания ангарного типа площадью 600-700 м²;
• данный аппарат позволяет обеспечить высокий уровень производственной санитарии, безопасности труда и окружающей среды, а также максимально автоматизировать контроль и управление технологическим процессом;
• низкие капитальные вложения, при высокой степени окупаемости;
• возможность переработки различного вида минерального сырья (от горнопромышленных отходов до первичных руд и концентратов);
• сокращаются транспортные расходы за счет того, что весь цикл переработки минерального сырья до конечных товарных металлов осуществляется в пределах одной производственной площадки.

Столь существенные преимущества геореактора дают возможность за счет резкого снижения капитальных затрат и эксплуатационных расходов заметно сократить инвестиционный период, повысить прибыльность производства и ускорить оборот капитала. Кроме того, в рентабельную переработку можно включать более бедные руды, промпродукты, концентраты, хвосты обогащения, шлаки, металлургические пыли и забалансовые руды. При этом обогатительный передел ограничивается получением лишь нормируемого по сульфидной сере коллективного сульфидного концентрата для окислительно-хлорирующего обжига, исключая тем самым затраты на многочисленные перечистки и селективную флотацию.

Исходным сырьем для выщелачивания в геореакторах может быть:

• техногенное сырье, в большинстве случаев без предварительного концентрирования ценных компонентов;
• бедные, окисленные и сульфидные труднообогатимые руды;
• комбинированные техногенные отходы, включающие органику, нестандартные ядохимикаты, которые при их обезвреживании могут являться энергетическим источником технологического процесса получения металлизированного конечного продукта;
• промпродукты, концентраты, шлаки, пыли, шламы цветных, черных и благородных металлов, горно-химического сырья и сырья угольной промышленности.

Подготовка такого сырья к дальнейшей переработке в геореакторе сводится к двум задачам:

• определение возможности и целесообразности предварительного выделения пустой породы, исключающей потери ценных компонентов и загрязнение окружающей среды;
• выбор оптимальной крупности материала для эффективной его переработки.

Значительная экологическая чистота обеспечивается тем, что все металлы и их соединения в геореакторе подвергаются жестким условиям выщелачивания – высокие концентрации выщелачивающих реагентов, температура и давление, что способствует практически полному удалению их в раствор. В кеках выщелачивания содержание меди и других цветных металлов составляет менее 0,07% каждого компонента. Такие продукты выщелачивания вполне пригодны для производства строительных материалов широкого профиля.

Получаемые отходы выщелачивания характеризуются экологической чистотой и являются товарным продуктом для стекольной, цементной, строительной, металлургической промышленностей, изготовления керамических изделий и прочих производств. Так, отмытый железосодержащий кек выщелачивания направляется на извлечение железа восстановительным обжигом в термохимическом реакторе более простой модификации c получением магнетитового концентрата или железного порошка и стерилизованной алюмосиликатной массы.

Поэтому, в случае же их долговременного хранения для последующего использования, они не являются экологически опасными как по содержанию, так и по возможности извлечения из них микроколичеств металлов в природных условиях, несопоставимых по воздействию геоавтоклавным.

Последующее извлечение металлов из растворов выщелачивания может осуществляться по разным технологическим схемам – селективной сорбции - экстракции - электролиза (опытно-промышленное предприятие по получению катодной меди из кислых рудничных вод – аналогов растворов автоклавного выщелачивания, работавшее на Гайском ГОКе, доказало эффективность этой технологии), либо последовательное получение порошков металлов при помощи восстановления их из растворов выщелачивания водородом под давлением в специальных автоклавах малого диаметра. В качестве восстановительно-энергетического агента могут быть использованы низкосортные угли, отходы нефтехимии.

Совершенствование технологических обогатительных процессов по предлагаемому методу переработки сырья корректируется в сторону упрощения технологических схем, исключению из общего цикла перечистных и контрольных операций. Основным требованием становится не получение кондиционных селективных концентратов, согласно устоявшимся требованиям перерабатывающих предприятий, а бедных коллективных продуктов при максимальном извлечении в них ценных компонентов и отвальных экологически чистых отходов.

Для повышения степени извлечения ценных компонентов в концентраты разработаны технологические приемы, включающие:

• использование физического и электрохимического воздействия на реагенты и пульпу;
• разработка новых, использование традиционных реагентов и их сочетаний, разработка оптимальных сред эффективного действия.

Для получения высоких технологических показателей обогащения – флотации, выщелачивания, фильтрации было разработано новое оборудование: флотомашина с высокочастотным ультразвуковым излучателем, керамический фильтр непрерывного действия с ультразвуковым колебательным контуром и пр.

Переработка минерализованных вод кислых рудничных, шахтных, подотвальных, осветленных вод хвостохранилищ, сбросных вод является актуальной не только с позиции охраны окружающей среды, но и с позиции расширения источников получения черных и цветных металлов, а также получения чистой воды для широкого спектра ее использования.

Для таких вод разработаны различные технологические приемы, позволяющие решить поставленные задачи. В частности для кислых вод, содержащих железо и цветные металлы, предложен сорбционно-электролизный метод, который для бедных минерализованных вод оказался высокоэффективным. По этой технологии успешно работала несколько лет опытно-промышленная установка производительностью до 100 м³/час на Гайском ГОКе. Разработана технология получения не только цветных металлов, но и железистого пигмента, пригодного в качестве добавки для улучшения качества бетона и для производства красок.

Кроме того, разработана высокоэффективная технология очистки сточных вод кинокопировальных предприятий от серебра и тиосульфатов с попутным получением высококачественных сорбентов, пригодных для извлечения редких щелочных металлов. Технологический прием очистки основан на переводе тио-комплексов серебра в металлическую форму методом восстановления формальдегидом или отработанными проявителями с последующим извлечением металлического серебра флотацией. Технология успешно прошла испытания в производственных условиях на Рязанской кинокопировальной фабрике.

Для очистки сточных вод металлургических заводов по производству ртути разработан флотационный метод, экономически выгодный за счет использования недорого и легко регенерируемого флотационного реагента – каптакса.

Следует отметить, что для очистки сточных слабоминерализованных и технологических вод, образуемых при переработке минерального сырья, содержащих цветные металлы, и получения очищенной воды, возможно использование дешевых природных сорбентов, получаемых из высококремнистого природного минерального сырья. Решение этой задачи осуществлено изучением сорбционных свойств цеолитсодержащих пород центральной России, сапонитсодержащего и другого минерального сырья [8]. В некоторых случаях такое сырье возможно использовать без предварительной подготовки, в других она необходима. Подготовка сырья с целью получения высококачественных сорбентов включает, помимо дробильно-сортировочного цикла, предварительное концентрирование методом флотации или гравитации с использованием центробежных сепараторов, а для глубокого изменения сорбционных свойств – модифицирование (декатионирование и деалюминирование).

Выводы

Выполненные исследования на основе изложенной концепции в области переработки минерального сырья позволяют сделать вывод, что для развития сырьевой базы получения металлов и охраны окружающей среды использование механических методов обогащения (флотационных, гравитационных, электромагнитных, радиометрических и др.) целесообразно только в случае возможности получения в хвостах обогащения пустой, практически не содержащей металлов или их соединений, породы.

Разработанная концепция и пути ее реализации позволят решить проблемы по развитию минерально-сырьевой базы, охране окружающей среды, а также снизить социально-экономическую напряженность в промышленных регионах.