CC BY
52
ПОДЗЕМНОЕ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ:
^ А.Е. Воробьев, 2000
УДК 622.775
А.Е. Воробьев
ШАХТНОЕ ПОДЗЕМНОЕ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ МАРГАНЦА ИЗ СКАЛЬНЫХ РУД
I
Шахтное подземное выщелачивание (ШПВ) марганца из скальных руд базируется на вскрытии месторождения горными выработками, нарезке рудного поля на блоки, обязательном дроблении рудного массива взрывом, создании растворособирающего горизонта, орошении руд выщелачивающими растворами, их сборе и выдаче на дневную поверхность (где происходит выделение марганца из растворов), рекультивации и консервации отработанных участков недр.
Поэтому на показатели этого метода оказывают существенное влияние одновременно технологии традиционных подземных горных работ, химические способы выщелачивания марганца и применяющиеся активные реагенты.
Так, возможно повышение извлечения марганца из руд с одновременным уменьшением загрязнения окружающей среды за счет оптимизации дробления горного массива. Для чего, после вскрытия марганецсодержащего месторождения горными выработками, в блоке ШПВ образуют компенсационное пространство и взрывной отбойкой руд производят их подготовку к выщелачиванию.
Предварительно, на месторождении определяют участки с наименьшим содержанием марганца и минимальным коэффициентом ру-доносности, а также зоны вмещающих пород (в пределах которых образуют компенсационное пространство). Выдаваемую из компенсационного пространства горную массу размещают в нерабочих (отработанных) горных выработках. Затем формируют горизонты орошения и обеспечивают подачу выщелачи-
вающего реагента с последующим сбором продуктивных марганецсодержащих растворов.
При формировании компенсационного пространства на участках с низким содержанием марганца или в пустой породе значительно снижается (при взрывании рудных участков) выход мелких фракций, обычно приводящих к нежелательному зашламованию фильтрационных каналов при последующем выщелачивании. К тому же, за счет высокого градиента концентраций системы "руда-раствор", существенно возрастает скорость диффузии марганца в жидкую фазу. При этом более эффективно используется выщелачивающий реагент.
На повышение полноты извлечения марганца методом ШПВ оказывает влияние и увеличение проницаемости выщелачиваемых участков марганецсодержащего массива. Для этого первоначально производят районирование марганецсодержащего массива с выявлением низко- и высокопрочных рудных участков. Затем системой подготовительных и нарезных выработок разделяют рудное тело на блоки ШПВ, с последующим разбуривани-ем горного массива взрывными скважинами, их заряжанием взрывчатым веществом (ВВ), формированием (взрыванием ВВ) зон дробления и зон с наведенной микротрещиноватостью между ними, подачей в последние выщелачивающих и сбора продуктивных растворов (с осуществлением контроля за концентрацией в них марганца).
При чем, взрывные скважины бурят на низкопрочных участках горного массива (с одной стороны бурят вертикально, а с другой - го-
ризонтально, относительно располагающегося между ними высокопрочного участка). Одновременно на высокопрочном участке бурят за-качные скважины, куда под давлением подают выщелачивающий раствор непосредственно перед взрыванием зарядов ВВ в слабопрочных участках. А после взрыва в слабопрочные участки также подают выщелачивающий раствор. В момент взрыва низкопрочных участков в высокопрочных возникают микротрещины, в которые попадает выщелачивающий раствор. Затем (после падения концентрации марганца в продуктивных растворах) дополнительно бурят взрывные скважины на высокопрочном участке, и, после взрывания зарядов ВВ в них вновь подают выщелачивающий раствор.
При осуществлении методов ШПВ марганца весьма целесообразно повышение степени и равномерности дробления и одновременного снижения затрат при выщелачивании запасов, оставленных после очистной выемки.
Для этого, при подготовке блоков ШПВ, после бурения скважин и формирования расположенных по-интервально плоских параллельных друг другу трещин гидроразрыва (заполнен-ных взрывчатым веществом) осуществляют послойное взрывание горных пород с определением интервала замедления по формуле
1п-1
Ъп = ------, с (1)
V
где 1п-1 - полудлина нижележащей трещины гидроразрыва, заполненной текучим ВВ, м; V - скорость детонации текучих ВВ в трещине гидроразрыва, м/с; п - номер трещины.
При чем, контуры зарядов формируют параллельно выработанному пространству, которое используют в качестве компенсационного. Подобный режим замедления предусматривает инициирование каждого последующего заряда ВВ в тот момент, когда по всей длине предшествующего заряда прошла детонационная волна. Указанный интервал замедления обеспечивает подрыв последующего слоя в тот момент, когда отрыв предшествующего слоя от горного массива уже про-
изошел, т.е. как на свободную поверхность (но в массиве еще сохранились волны предшествующей взрывной нагрузки).
На достижение равномерной трещиноватости при осуществлении технологии ШПВ существенное значение оказывают вид взрывчатого вещества (ВВ) и последовательность взрывания рудного массива. Для этого, после проходки в блоке ШПВ буровых выработок обеспечивают его обуривание скважинами и проведение поинтервальных гидроразрывов с формированием трещин в межскважинных зонах. После проведения гидроразрывов скважины заряжают низкобризантным ВВ и взрывают. Кроме того, взрывание в соседних скважинах производят с замедлением: сначала взрывают
заряды в нечетных скважинах нечетных вееров и в четных скважинах четных вееров, а затем - в остальных скважинах.
На показатели извлечения марганца методами ШПВ значительное влияние имеет плотность разрушенного (подле-жащего выщелачиванию) марганецсодержащего массива: чем меньше плотность, тем выше эффективность извлечения металла в раствор. В этой связи часто целесообразно вторичное рыхление взорванного блока. При чем, дополнительное рыхление осуществляют в периферийной зоне потока растворов выщелачивающего реагента до пересечения границы образуемого эллипсоида разрыхления с зоной активного движения растворов.
В потоке мигрирующего раствора существует две зоны: активного выщелачивания и периферийная (застойная). В первой движется 8090 % объема раствора и в ней происходит наиболее интенсивный вынос марганца. Осуществление рыхления горной массы до пересечения границы эллипсоида рыхления с зоной активного движения растворов обеспечивает уменьшение плотности горной массы в периферийной зоне потока. Это позволяет изменить структуру потока выщелачивающего реагента, т.е. его перераспределение. В результате на орошение периферийной зоны поступает больший объем раствора, что приводит к более равномерному орошению всей марганецсодержа-
щей массы и тщательной ее проработки с возрастанием выноса марганца из периферийной области.
Помимо увеличения проницаемости выщелачиваемых руд целесообразно обеспечивать и повышение антифильтрационных свойств определенных зон обрабатываемого массива. Например, сокращение затрат и увеличение извлечения марганца достигается путем формирования экранирующей зоны за счет уменьшения объемов горнопроходческих и буровых работ и исключения затрат на дорогостоящие смолы, оборудование и сам процесс закачки смол.
Для чего, последовательно производят дробление и магазинирова-ние руды в блоке ШПВ, орошение замагазинированной руды и сбор продуктивных марганецсодержащих растворов. При чем, руду по контуру блока ШПВ дробят с коэффициентом разрыхления, величину которого устанавливают выше величины коэффициента разрыхления основной массы замагазинированной в блоке руды. Кроме того, коэффициент разрыхления руды по контуру блока на всю его высоту устанавливают равным:
Крк > 0,83Кро + 0,314 (2)
где Крк - коэффициент разрыхления руды, отбитой по контуру блока ШПВ; Кро - коэффициент рыхления основной массы зама-газинированной в блоке руды.
Кроме того, орошение осуществляют в пределах основной массы замагазинированной в блоке ШПВ руды. Сбор марганецсодержащих продуктивных растворов из основной массы руды и из руды по контуру блока осуществляют селективно. При этом раствор из контурной зоны объединяют с рабочим раствором и подают на выщелачивание основной массы замагазинированной в блоке руды.
При орошении более уплотненной рудной зоны, величина бокового растекания растворов (при определенном соотношении коэффициентов рыхления уплотненной и разуплотненной зон) в области руд с большим коэффициентом разрыхления (шириной не менее 1м) практически падает до нуля, т.е. растворы начинают просачиваться вниз без дальнейшего бокового распро-
странения. Таким образом, обеспечивается ликвидация боковых утечек технологических растворов.
Для этого, рудное тело подготавливают системой полевых штреков 1 и восстающих 2. Для сбора растворов проводят дренажные выработки 3, из которых бурят в днище блока ШПВ дренажные скважины 4 и 5. Из буровых ортов 6 производят бурение взрывных скважин, а из рассечки проходят отрезной восстающий с последующей разделкой его в отрезную щель. Разделку отрезной щели производят из расчета получения в ней повышенного коэффициента разрыхления марганецсодержащих руд, например, отбойкой отрезной щели поэтапно, с частичным выпуском руды после каждого взрывания с целью ее равномерного разрыхления. После окончания отбойки рудного массива производят частичный выпуск для формирования компенсационного пространства перед отбойкой первого веера взрывных скважин в объеме, обеспечивающим меньший (по отношению к отрезной щели) коэффициент разрыхления.
Таким образом, на границах секции после окончания отбойки руды создаются зоны повышенной проницаемости 7, которые являются экранирующими по отношению к зоне нормального уплотнения
8. Во время орошения часть растворов будет стремиться растечься в стороны и выйти за пределы контура блока ШПВ, однако на их пути у границ блока встречается экранирующая зона 7, препятствующая их боковому растеканию и по которой растворы направляются вниз на днище блока.
Поскольку скорость фильтрации растворов в экранирующей зоне 7 превышает скорость фильтрации в области нормального уплотнения 8, то продуктивные растворы из зоны 7 будут выходить бедными по содержанию марганца и с повышенным содержанием выщелачивающего реагента. В связи с этим предусматривается селективный сбор растворов: из зоны 7 - скважинами 5, а из области 8 - скважинами 4 в раство-росборник, разделенный перемычкой 10 с отводом с помощью гибких шлангов 11. Разделение потоков по зонам на днище блока ШПВ осуществляют путем устройства в буро-
вых ортах 6 нижнего горизонта на границах зон водонепроницаемых порогов 14 из глины. Часто при достижении равномерного дробления рудного массива происходит нежелательное ослабление его устойчивости (подобное явление возможно и в природных ненарушенных, но ослабленных скальных массивах). Тогда, для повышения безопасности ведения горных работ в слабоустойчивых породах и исключения потерь марганца в междуэтажных целиках при многоэтажной отработке марганецсодержащего месторождения необходимо использовать следующую технологическую схему. Блок ШПВ 1 подсекают сверху по всей площади заходками (вначале 2, а затем 3). В них создают породную подушку 4 (толщиной 20-30 см) и на нее укладывают перфорированные трубы 5 оросительной системы (отверстиями вниз). Затем, для создания искусственной потолочины, заходки заполняют твердеющей закладкой 6 (в той же последовательности, при которой осуществлялась их проходка). Для приготовления твердеющей закладки можно использовать дробленную горную породу с добавлением песчано-цементного раствора. Для повышения прочности искусственной потолочины перед заполнением за-ходок закладкой 6 на трубы укладывают металлическую сетку 7. Для предотвращения засорения отверстий в период подачи закладки и до ее затвердевания в перфорированные трубы желательно подавать сжатый воздух.
Перед началом отбойки взрывными скважинами 8 перфорированные трубы оросительной системы обнажают на ширину взрываемой секции путем проходки рассечки 9 из выработки 10. Породная подушка 4 служит для предохранения труб оросительной системы от разрушения во время производства буровзрывных работ. После проведения буро-взрывных работ в трубы оросительной системы подают раствор выщелачивающего реагента и осуществляют орошение замагазини-рованной руды.
В технологиях ШПВ марганца часто весьма целесообразно обеспечить надежность работы оросительной системы. Для чего подготовку блока ШПВ начинают с про-
ходки полевых штреков 1 и подэ-тажных буровых выработок 2, которые сбивают между собой восстающими 3. Затем проходят буровые штреки 4 и смотровые рассечки 5. После чего на фланге блока ШПВ проходят отрезной восстающий и разделывают его в отрезную щель (при чем отбитую руду из щели полностью не выпускают). После этого из выработок 4 и 2 бурят веера взрывных скважин 6 и вертикальными слоями на всю высоту блока ШПВ отбивают руду на компенсационное пространство, образованное в результате частичного выпуска отбитой после каждого взрыва руды. Объем такого выпуска и ширина отбиваемого слоя руды за один взрыв устанавливаются из условия образования в верхней части блока ШПВ горизонтальной плоскости, высотой 2-3 м между кровлей и поверхностью отбитой горной массы.
Вслед за продвижением фронта взрывных работ ведут гидравлическую закладку нетвердеющей смесью верхней подсечки блока ШПВ через смотровые рассечки 5 и скважины 7 по трубопроводу
8. Величину пролета обнажения определяют из условия устойчивости кровли блока ШПВ. Из полевого штрека 1 оросительного горизонта в закладку бурят скважины 9, в которые через буровой став вводят оросительные трубы, оставляемые в закладке.
Состав гидрозакладочной смеси должен обеспечивать поддержание кровли блока ШПВ, транспортабельность по трубам, максимальное и равномерное растекание рабочего раствора по орошаемой площади. Установлено, что добавка в закладочную смесь мелкозернистого материала крупностью -0,3+0,2 мм в количестве 20 % позволяет в 3-4 раза увеличить зону влияния точечного источника орошения благодаря эффекту "подвешенной" влаги, возникающему в мелкозернистом материале за счет сил поверхностного натяжения жидкости. После подготовки таким образом горизонта орошения производят подачу выщелачивающего марганец реагента по трубопроводу 10.
Обеспечение максимальной равномерности (плотности) орошения марганецсодержащей руды в блоке ШПВ выщелачивающими
растворами можно достичь следующим образом. В период подготовки блока путем отбойки руды вертикальными скважинами поярусно снизу вверх секционным взрыванием, магазинирования отбитой руды и частичного ее выпуска в торце выработки, орошения и сбора продуктивных марганецсодержащих растворов, слои отбитой руды чередуют слоями мелкозернистого материала (которые создают намывом через вертикальные скважины).
Для этого, блок ШПВ подготавливают к выщелачиванию вентиляционным 1, откаточным 2, подэтаж-ным 3 и восстающим 4 штреками. Из нарезных выработок 5 на всю высоту блока бурят вертикальные взрывные скважины 6.
Крупность мелкозернистого материала берут в пределах 0,1 - 2,0 мм. В объеме мелкозернистого материала контактирующего с раствором возникает слой "подвешенной" влаги. Для разных размеров зерен материала мощность этого слоя различна. В качестве мелкозернистого материала можно использовать песок, мелочь рудной массы, полиэтиленовую крошку, полимерные затвердевающие пористые материалы и т.д.
Следующим важным аспектом отработки месторождения марганца методом ШПВ является поддержание стабильной концентрации металла в продуктивных растворах при одновременном сокращении периода выщелачивания и повышении степени извлечения марганца из обрабатываемых руд.
Для этого производят первоначальное деление рудного тела на блоки ШПВ подготовительнонарезными выработками, последовательную отбойку взрыванием первого блока на отрезную щель и последующих блоков на ранее отбитую горную массу предыдущих блоков (как на компенсационное пространство), магазинирование руды с ее частичным выпуском, подачу выщелачивающих и сбор продуктивных растворов. При чем, последовательную отбойку каждого последующего блока ШПВ производят однорядным взрыванием скважин на ранее отбитую и обрабатываемую руду рабочего блока в конце активной стадии ее выщелачивания. Компенсационное
пространство образуют перед каждым взрывом подвыпуском частично выщелоченной руды из зоны переуплотнения.
По мере отбойки запасов блока ШПВ для сокращения времени выщелачивания марганца целесообразно формировать поэтапно горизонт орошения и осуществлять подачу растворов после отбойки каждого ряда скважин. Для поддержания стабильной концентрации марганца в продуктивных растворах, отбойку запасов подготавливаемого блока осуществляют однорядным взрыванием скважин на выщелачиваемые запасы в отрабатываемом блоке ШПВ в процессе подачи в горную массу последнего объема активного реагента, что позволяет обеспечить его попадание во вновь образуемые зоны переуплотнения выщелачиваемой руды, где будет происходить ее предварительное закисление. Наиболее эффективно осуществлять порядную отбойку запасов в подготавливаемом блоке ШПВ в конце активной стадии выщелачивания в разрабатываемом блоке, когда происходит резкое снижение концентрации марганца в продуктивных растворах (это вызвано тем, что выщелачивание происходит в первую очередь в поверхно-
стном, наиболее доступном для реагента, слое куска руды). Так как проникновение выщелачивающего реагента вглубь куска руды происходит медленно, то процесс выщелачивания затягивается. Поэтому отбойка подготавливаемого блока в процессе активной стадии выщелачивания марганца в отрабатываемом блоке одновременно с подачей растворов активных агентов служит для поддержания должной концентрации металла в растворе.
Для увеличения степени сбора продуктивных растворов необходимо оформления специального днища блока ШПВ. Для чего рудный блок 1 подсекают снизу заходками 2, между которыми оставляют опорные целики 3. В заходках укладывают гидроизоляционный слой, состоящий из пластиковой пленки 4 (толщиной 4-6 мм), уложенной на песчаную основу 5 (толщиной до 200мм) и песчаной предохранительной подушки 6 поверх пластика. Затем заходки заполняют твердеющей закладкой 7. После затвердевания последней производят выемку оставленных опорных целиков 3 и на почве образованных выработок формируют гидроизоляционный слой из пластиковой пленки 4 (уложенной на песчаную основу 5) и
предохранительной подушки, включающей слой песка 6 и руды 8 (отбитой из кровли выработки). Пленку предварительно сваривают на стыках с пленкой, уложенной в заходках 2 под закладкой 7.
Затем в блоке ШПВ производят отбойку и магазинирование руды, с использованием отрезной щели 9. Затвердевшую закладку 7 можно взрывать вместе с рудным массивом, но можно оставлять и ненарушенной, т.к. она обладает незначительными сорбционными и хорошими фильтрационными свойствами.
В заключении необходимо отметить, что рассмотренные выше технологии ШПВ марганца из скальных руд наиболее целесообразно применять, во-первых, при заранее запланированном комплексировании различных горных систем (например, выемке богатых марганцем жильных руд и зон традиционным подземным горным способом, с последующим выщелачиванием убогих марганецсодержащих зон и оставляемых в недрах целиков), во-вторых, при скорейшем (и менее капиталоемком) вводе новых рудников в эксплуатацию, а также - при доработке оставшихся после длительного функционирования рудников бедных запасов марганцевой руды.
IIP?
Воробьев Александр Егорович - профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет.
