CC BY
50
© М.В. Рыльникова, Д.Н. Радченко, Д.А. Милкин, А.Г. Звягинцев,
А.М. Пешков, 2010
УДК 622.775
М.В. Рыльникова, Д.Н. Радченко, Д.А. Милкин,
А.Г. Звягинцев, А.М. Пешков
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМА ВЫЩЕЛА ЧИВАНИЯ СЫРЬЯ ТЕХНОГЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ, СОПУТСТВУЮЩИХ РАЗРАБОТКЕ МЕДНО-КОЛЧЕДАННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ *
Описаны опытно-промышленные исследования технологии кучного выщелачивания отвальных руд Учалинского карьера и отходов радиометрической сепарации бедных руд. Приведены основные результаты, которые использованы для обоснования физикохимических процессов в горнотехнической системе комплексного освоения месторождений многокомпонентных медно-колчеданных руд.
Ключевые слова:
Семинар № 25
ууроблема восполнения минераль-
.1 Л. но-сырьевой базы, экологизации горного производства имеет актуальное значение для всех отечественных горнодобывающих предприятий, являющихся основными поставщиками цветных металлов на отечественный и мировой рынок. Истощение минерально-сырьевой базы действующих предприятий и снижение качества эксплуатационных запасов месторождений медно-колчеданного сырья, обуславливает необходимость изыскания новых технологических решений, позволяющих вовлечь бедные руды, ранее складированные в отвалы, в эффективную промышленную разработку перспективными физикохимическими геотехнологиями.
В ходе лабораторных исследований была доказана возможность эксплуатации складированных в отвалах Учалинского и Молодежного карьеров отвальных руд, методом кучного выщелачивания [1]. Вместе с тем, для разработки
проекта на промышленное освоение данного вида техногенного сырья лабораторных исследований недостаточно. Поэтому для установления рациональных параметров и режима технологических процессов выщелачивания руд специфического вещественного состава в климатических условиях южного Урала была проведена опытнопромышленная апробация данной технологии на представительных объемах выщелачиваемого сырья.
В ходе опытно-промышленной апробации технологии кучного выщелачивания предусматривалось решение следующих задач:
- оценка эффективности процессов рудоподготовки и формирования массивов выщелачивания с заданными технологическими характеристиками;
- исследование возможности и эффективности применения в качестве выщелачивающей среды естественного сернокислотного реагента - подотваль-
*Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ - 09-05-00675-а. 340
Рис. 1. План полигона опытно-промышленных испытаний технологии кучного выщелачивания отвальных руд Учалинского карьера
ных и карьерных вод;
- изучение параметров и режимов технологии кучного выщелачивания;
- установление водного баланса участка выщелачивания с учетом особенностей климатических условий;
- исследование вещественного состава промышленных продуктивных растворов выщелачивания и технологий их промышленной переработки.
Опытно-промышленные испытания физико-химической геотехнологии были проведены на поверхности Учалинского карьера на специально выделенной площадке (рис. 1), расположенной на рудном отвале №8 в непосредственной близости от насосной станции перекачивающей подотвальные воды, что обеспечило возможность их отбора с
минимальными затратами. На площадке было сформировано три штабеля - №1 из некондиционной руды из отвала Учалинского карьера крупностью -250+40 мм, массой 82,3 т, №2 из отходов радиометрической сепарации (РМС) крупностью -40+5 мм, массой 91,8 т и №3 из отходов (РМС) крупностью -5 мм, массой 10,3 т.
Перед началом проведения опытнопромышленных работ были отобраны представительные пробы техногенного сырья для определения вещественного состава исследуемых руд и оценки их физико-механичес-ких характеристик. Минеральный состав складированных в отвал отходов радиометрической сепарации приведен в табл. 1.
Химическим анализом окисленной руды крупностью -250+40 мм установлено, что среднее содержание в ней меди составляет - 0,42 %, цинка - 1,01, железа - 22,28.
Минеральный состав усредненной пробы класса -5+0 мм приведен в табл. 2.
Таблица 2
Минеральный состав фракции -5+0 мм
Компоненты Массовая доля, %
$Ю2 24,4
А12Оз 3,05
СаО 2,2
MgO 1,8
к2о 2,5
№20 3,0
Си 0,3
Zn 0,227
Результаты исследований физикомеханических характеристик представленных на анализ проб отвальных руд Учалинского месторождения приведены в табл. 3.
При подготовке площадки опытнопромышленных испытаний для гидроизоляции штабеля кучного выщелачивания (рис. 2) была завезена глина, которая уложена в основание штабеля слоем, толщиной 20 см, и тщательно укатана. После этого на нее уложили кислотостойкую промышленную пленку, стыки которой герметизированы термической сваркой.
На подготовленном герметичном основании был сформирован дренажный слой из песка и щебня. Верхний слой кварцевого песка, толщиной 0,1 м, предназначен для предотвращения разрыва пленки при укладке щебня; слой строительного щебня, толщиной 0,3 м, обеспечивал сбор и транспортировку рабочего раствора в основание штабеля по уклону.
В основании уклона были пройдены сборные траншеи перпендикулярно ос-
нованию площадки, соединенные с зумпфом (рис. 3). Зумпф был сооружен таким образом, чтобы в нем можно было разместить две аккумулирующие емкости. Первая - предназначена для сбора продуктивных растворов поступающих из под штабеля фракции -250+40, вторая
- для сбора растворов, поступающих со щтабеля фракции -40+5 мм. Сборная траншея от штабеля мелкой фракции была пройдена вдоль его основания, в торце также был сооружен зумпф (рис. 3).
Подача реагента на штабель осуществлялась сверху в безнапорном режиме из пластиковых емкостей, объемом 1,2 м3 (рис. 4), размещенных на специально подготовленной площадке.
343
Таблица 3
Результаты определения физико-механических характеристик проб отвальных руд Учалинского месторождения
Номер пробы Наименование пород Объемная масса, г/см3 Влаж- ность, % Объемная масса скелета, г/см3 Удель- ная масса, г/см3 Порис- тость Коэф- фициент крепости Среднее значение водопо-глощения породы, % Среднее водонасы-щение породы, %
1 диабазы зеленого цвета 2,78 0,17 2,78 2,80 0,88 11 0,14 0,17
2 диабазы зеленоватосиреневого цвета с прожилками кварца 2,71 0,14 2,71 2,74 1,23 14 0,12 0,12
3 густовкрапленная пиритсодержащая руда 3,56 0,08 3,56 3,60 1,19 5 0,10 0,14
4 сплошная серноколчеданная руда 4,44 0,00 4,44 4,49 1,11 7 0,04 0,06
5 кварц-хлоритовый-метасоматит с прожилками кварца 2,81 0,15 2,81 2,84 1,20 12 0,09 0,12
6 кварц-серицитовый-метасоматит с вкраплениями пирита 3,02 0,32 3,01 3,20 5,93 6 0,17 0,19
Рис. 2. Внешний вид полигона в период подготовки площадки
Емкости имели отводные патрубки для соединения со шлангами оросительной системы. Количество линий оросительных шлангов со специальными разбрызгивателями определялось с учетом формы штабеля и площади его поверхности. Для обеспечения равномерности
орошения штабеля размещение линий орошения регулировалось в ходе эксперимента. Рациональный режим орошения был определен лабораторными исследованиями [2].
В ходе проведения опытно-промышленных испытаний производился комплексный мониторинг параметров геотехнологии (табл. 4).
В начале эксперимента выщелачиваемый массив насыщался подотвальными водами. Критерием влагона-сыщения являлось появление растворов в основании штабеля. После этого подача воды прекращалась, штабель выстаивался, происходило постепенное проникновение растворов вглубь кусков руды. По истечению нескольких часов операция повторялась. Оценка влагонасыще-
Рис. 3. Дренажная система для сбора продуктивных растворов:
1 - массив фракции -40+5 мм; 2 -массив фракции -5 мм; 3 - массив фракции -250+40 мм; 4 - зумпфы; 5 - аккумулирующие емкости для сбора продуктивных растворов; 6 - траншея; 7 - желоб
Таблица 4
Контролируемые в ходе опытно-промышленной апробации параметры эксперимента
Контролируемые параметры: Методы контроля:
- содержание ценных компонентов в исходных рудах, %; - минеральный состав рудничных вод; - состав растворителя; - уровень рН и ЕИ (мВ) при выщелачивании; - коэффициент фильтрации, м/сут; -концентрация элементов в продуктивных растворах, мг/дм ; - плотность раствора; - расход растворителя и продуктивного раствора; - степень концентрации ценных компонентов; - механические характеристики руды; - усадка штабеля и состояние его поверхности. - пробирные химические анализы; - атомно-абсорбционная спектрометрия; - замеры на лабораторном рН-метре; - натурные замеры на участке; - лабораторные испытания; - минералогический анализ; - геохимические исследования
Рис. 4. Внешний вид оросительной системы
ния производилась путем раскола кусков руды, отобранных из разных частей массива механическим ударом. Влаго-насыщение штабеля производилось в течение 3 суток.
После насыщения штабелей подот-вальной водой производилось закисле-ние руды путем подачи активного агента, приготовленного на основе подот-вальных вод, доукрепленных до 10 % концентрации по свободной серной кислоте. График подачи активного агента на штабель №1 и динамика поступления раствора в зумпф в течении первого цикла закисления представлены на ри-
сунке 5. Общий объем раствора, поступившего в зумпф штабеля №1 и №2 в период дождей, составил 1260 дм3 и 1100 дм3, соответственно. Средневзвешенное содержание меди в растворе 3197,69 мг/дм .
Анализ изменения содержания меди в продуктивном растворе выщелачивания штабеля №1 в течение цикла закис-ления свидетельствует о том, что процесс закисления характеризуется нарастающей динамикой перехода ионов меди в раствор. Так, если в исходном растворе, подаваемом на штабель и приготовленном на основе подотвальных вод,
а)
Текущие сутки
содержание меди составляло 287 мг/дм3, то уже с первыми поступлениями продуктивного раствора после дождей содержание меди в зумпфе превысило 2000 мг/дм3. Последующие поступления раствора в зумпф характеризовались еще большей концентрацией меди, и к завершению цикла закисления из-под штабеля поступал раствор с содержанием меди более 5500 мг/дм3. Аналогична динамика фазовых переходов цинка из минеральной фазы в ионную форму (рис. 6).
Продолжительность цикла закисле-ния составила 20 суток. По завершении цикла закисления была начата промывка штабеля со сбором и анализом продуктивных растворов. В рабочем режиме
Рис. 5. График объемов подачи раствора для закисления руды штабеля №1 (а) и динамика поступления раствора в зумпф (б) в период первого цикла закисле-ния
производилась подача на штабель раствора, приготовленного на основе подот-вальных вод, доукрепленных до 2%-ной концентрации по свободной серной кислоте и модифицированных специально подготовленной по авторской методике торфяной вытяжкой, содержащей комплекс фульвокислот, являющихся интенсификатором процесса сернокислотного выщелачивания.
График подачи рабочего агента на штабель №1 и динамика поступления продуктивного раствора в зумпф в течение рабочего режима представлены на рисунке 7. Изменение расхода подающего раствора за весь период промывки происходило в диапазоне от 1,3 до 3,5 л м2/сут. и зависело от интенсивности выпадения атмосферных осадков. Среднесуточный расход выщелачивающего раствора, подаваемого на штабель в рабочем режиме составил 1,84 л м2/сут. Всего на штабель было подано 3150 дм3 рабочего раствора.
В первые 2 дня реализации рабочего режима выщелачивания штабеля №1 концентрация меди достигала 5492,3 мг/дм3, что связано с растворением образовавшихся в процессе закисления сульфатов. Начиная с пятого дня промывки, в течение 9 дней наблюдалось некоторое снижение концентрации в продуктивном растворе меди до 3400
мг/дм3. В дальнейшем, вплоть до наступления отрицательных температур, оно было достаточно стабильным и в накопительном зумпфе не опускалось ниже 3500 мг/дм3 (рис. 8). При промывке штабеля №2 в первые трое суток содержание меди в растворе составляло около 6000 мг/дм3. По истечению этого срока содержание меди в продуктивном растворе снижалось в течение 10 суток, затем стабилизировалось и вплоть до наступления отрицательных температур и прекращения эксперимента не опускалось ниже 2000 мг/дм3. Среднее содержание меди в накопленных продуктивных растворах в зумпфе в течение рабочего режима выщелачивания составило 2171,7 мг/дм3. Аналогичные зависимости были получены при анализе динамики извлечения цинка.
Рис. 6. Динамика изменения среднего содержания меди (а) и цинка (б) в продуктивном растворе выщелачивания штабеля №1 в период закисления
Анализ результатов, полученных в ходе выщелачивания штабеля мелкой фракции, свидетельствует о весьма низком извлечении. За весь период было получено около 600 дм3 продуктивного раствора. Среднее содержание меди в нем составило
- 234 мг/дм3, цинка - 1157,3 мг/дм3. При этом максимальное содержание меди не превышало 494,2 мг/дм3, цинка - 2238,4 мг/дм3. Учитывая достаточно низкое содержание полезных компонентов в полученных продуктивных растворах выщелачивания мелкой фракции по мере их накопления в зумпфе осуществлялась перекачка растворов с помощью кислотостойкого насоса в напорную емкость, и после доук-репления до соответствующей концентрации по свободной серной кислоте, их подавали обратно на выщелачиваемый массив. Несмотря на постоянную циркуляцию растворов, повышение содержания полезных компонентов в продуктивном растворе не происходило, ввиду того, что тонкодисперсный материал не способствовал проникновению раствора вглубь штабеля, циркуляция происходила по его поверхности. Был сделан вывод о нецелесообразности дальнейшего выщелачивания руды мелкой фракции.
Для исключения перемерзания системы орошения при наступлении осенних заморозков опытно-промыш-ленные испытания были приостановлены.
Общий объем полученного продуктивного раствора в цикле закисления и промывки со штабеля №1 фракции - -40+5 мм составил 9390 дм3, среднее содержание меди в нем - 3860,4 мг/дм3. Расчетное извлечение меди из 91,8 т. массива отходов радиометрической сепарации за 24 дня промывки в условиях интенсивных ливневых дождей при исходном содержании меди в ней 0,55 % (504,9 кг меди) и цинка 2,77% (2478,6 кг) составило по меди - 6,84 % и цинку
- 5,73 %.
В результате реализации рабочего режима выщелачивания штабеля фракции -250+40 мм было получено 8390 дм3 продуктивного раствора. Расчетное извлечение металлов из 82,3 т. забалансовой отвальной руды
со средним содержанием меди - 0,42 % (345,66 кг) и цинка 1,01 % (831,23 кг) за весь период опытно-промышленных работ с учетом дождей и снега составило: меди - 5,47 % (18,9 кг), цинка -10,13 % (84,21 кг).
Полученные результаты
коррелируют с данными лабораторных исследований, в которых из
аналогичного сырья за 90 суток промывки извлечение меди составило 78,О^пврнтактй'е1е5%ромышленной реализации технологии кучного выщелачивания окисленных руд свидетельствует поступление со штабеля выщелачивания продуктивных растворов со стабильно высоким содержанием меди и цинка в течение всего эксперимента. Это позволяет рассчитывать на стабильную работу гидрометаллургического передела при промышленной реализации технологии, что позволит повысить полноту извлечения ценных компонентов из руд, обеспечить на горнодобывающем предприятии выпуск металлической товар-
Рис. 7. График подачи раствора на штабель №1 (а) и динамика поступления раствора в зумпф (б) в рабочем режиме выщелачивания
ной продукции и снизить экологическую нагрузку.
В результате комплекса исследовательских и стендовых испытаний технологии переработки продуктивных растворов, полученных в результате выщелачивания окисленной руды, установлено, что продуктивные растворы являются комплексными, содержат широкий спектр ценных компонентов, которые целесообразно извлекать сочетанием известных и перспективных гидрометаллургических способов. В ходе стендовых испытаний технологий извлечения меди и цинка - основных промышленно-значимых компонентов медноколчеданных руд, были исследованы технологии цементации меди на железном скрапе, экстракции и электролиза меди, осаждения цинка в виде сульфидного продукта, а железа - в виде промежуточного продукта перед выделением меди; была определена также возможность сорбции других элементов на ионообменных смолах.
О -I-------------------Т-------------------Т-------------------1-------------------1
22 27 32 37 42
Текущие сутки
В условиях опытно-промышлен-ного участка переработка продуктивных растворов осуществлялась методом
цементации. Среднее содержание меди в цементате, полученном в ходе стендовых испытаний, составло 65,2 %. Магнитная сепарация повысила качество цементного продукта до 78,5 % Си. Выход немагнитной фракции составил 61,5% при извлечении меди в продукт 85 %. В общей сложности извлечение меди из продуктивных растворов составило 91,2 %, получено около 19 килограмм цементной меди.
Исследованиями процессов экстракции меди, выполненными в лаборатории МИСИС, установлено, что расслаивание фаз, как в цикле экстракции, так и в цик-
Рис. 8. Динамика изменения среднего содержания меди (а) и цинка (б) в продуктивном растворе, поступившем на переработку в ходе рабочего режима выщелачивания
ле реэкстракции, идёт быстро без образования промежуточного диффузионного слоя. Извлечение меди из растворов составило 98-100 %. Железа в реэкстракте качественным анализом не обнаружено, что позволяет заключить, что реэкстракт может быть эффективно переработан методом электролиза меди в отсутствии растворимого медного анода (электроэкстракция). Перспективным также является оценка возможности переработки продуктивных растворов методом цементации на цинке.
Исследования процесса избирательного осаждения сульфидом натрия цинка в виде ZnS путем изменения рН раствора до 3-4 показали, что содержание в осадке цинка составило 37,5 %, что является промышленным содержанием для дальнейшей переработки полученного продукта на электрометаллургическом заводе.
В целом продуктивные растворы являются комплексными, содержат широкий спектр ценных компонентов, которые целесообразно извлекать сочетанием известных и перспективных гидрометаллургических способов.
Результаты исследовательских и стендовых испытаний использовали для обоснования физико-химических процессов в горнотехнической системе комплексного освоения месторождений
многокомпонентных
медно- колчеданных руд.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Рыльникова М.В., Радченко Д.Н., Илим-бетов А. Ф. Разработка технологии формирования и комплексного освоения техногенных месторождений на основе переработки руд // ГИ-АБ, 2008 - №4. - С. 247-256.
2. Рыльникова М.В., Радченко Д.Н., Илим-бетов А.Ф., Звягинцев А.Г. Опытнопромышленная апробация технологии выщелачивания отходов переработки медноколчеданных руд // ГИАБ, 2008 - №2. - С. 293302. ЕШ
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------
Рыльншова М.В. - доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, Радченко Д.Н. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник,
Мжшн ДЛ. - аспирант, младший научный сотрудник,
УРАН ИПКОН РАН, [email protected]
Звягжцев A.r. - аспирант, ГОУ ВПО МГТУ им. Г.И. Носова, [email protected] Пешков A.M. - аспирант, ГОУ ВПО МГТУ им. Г.И. Носова, [email protected]
А
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
PОCCИЙCКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ
ТУНГУСОВ Сергей Александрович Повышение эффективности промывки скважин за счет использования пульсирующего потока 25.00.14 к.т.н.
АННЕНКОВ Анатолий Алексеевич Рациональная технология бурения разведочных скважин для создания полигонов захоронения токсичных и радиоактивных отходов 25.00.14 к.т.н.
