CC BY
138
© А.Е. Воробьев, К.Г. Каргинов,
Рис. 1 Схема центробежного орошения. ВРВдаНцСййа РТДНОЧекуш ина, 2001 штабеля при кучном выщелачивании руды ___УДК 6?? 775___________________________
А.Е. Воробьев, К.Г. Каргинов,
Е.В. Одинцова, Т.В. Чекушина
ТИПИЗАЦИЯ СИСТЕМ ОРОШЕНИЯ ВЫЩЕЛАЧИВАЕМОЙ РУДЫ И СБОРА ПРОДУКТИВНЫХ РАСТВОРОВ
ри эксплуатации геотехнологиче-ских предприятий самые значительные расходы связаны с затратами на реагенты, поэтому снижение объемов используемых реагентов - основная задача совершенствования. Этого можно достичь с помощью правильно выбранной системы орошения и
Ппросачивания рабочих растворов через выщелачиваемую руду.
Системы орошения При разработке скальных месторождений выделяют следующие способы подачи растворов для выщелачивания:
Гидростатический - заполнение всего объема порового пространства выщелачивающими растворами, выстаивание в течение определенного времени и выпуск продуктивных растворов. Необходимое условие применения гидростатического способа - водонепроницаемость боковых пород, поэтому зону выщелачивания изолируют с помощью антифильт-рационных экранов, эксплуатация которых и надежность связаны с известными техническими трудностями.
Фильтрационный - предполагает непрерывное движение выщелачивающих растворов сквозь межкусковое пространство при полном его заполнении, поэтому требования к вмещающим породам с точки зрения их проницаемости такие же или более жесткие, чем в предыдущем способе.
Инфильтрационный - наиболее распространенный в геотехно-логической практике - предполагает движение выщелачивающих растворов в межкусковом пространстве при неполном его насыщении. В этом случае обеспечивается необходимое время для контакта растворителя с поверхностью рудного материала в присутствии кислорода воздуха, поэтому массообменные процессы реализуются в наиболее благоприятных физико-химических условиях. Рабочие растворы при этом способе подаются на поверхность орошаемой горной массы разбрызгиванием, затоплением, через перфорированные оросительные трубы.
Первый способ подачи растворов применяют в устойчивых по-
СЕМИНАР 16 ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
родах при небольшой мощности крутопадающих рудных тел и одноэтажной отработке. Второй способ может применяться при многоэтажной отработке месторождения в самых разнообразных условиях. Он позволяет производить
послойное орошение по высоте выщелачиваемого столба руды, повышая интенсивность выноса металла в раствор. Третий способ особенно эффективно применяется в практике кучного выщелачивания вследствие того, что обеспечивается наиболее рациональное использование выщелачивающих растворов с точки зрения механизма физико-химической гидродинамики массопереноса. Однако и в блоках подземного выщелачивания он характеризуется простотой и низкой трудоемкостью исполнения, позволяет без заметных эксплуатационных затрат управлять интенсивностью орошения, если горно-геологические условия не противоречат условию ее применения.
Процесс смачивания куска руды рабочими растворами начинается с поступления раствора на его поверхность. Наиболее равномерное распределение раствора по поверхности куска обеспечивается в тех случаях, когда весь кусок оказывается в растворе. В штабеле кучного выщелачивания такие формы контакта вполне реальны для мелких частиц горной массы. Крупные куски могут омываться растворами, поступающими к куску либо снизу, либо в виде струй и капель сверху. Чаще всего растворы на воздушносухой или влажный кусок поступают из ранее смоченных соседних кусков
горной массы. В среде, насыщенной парами реагента, определенное значение следует придавать формированию жидких растворов на поверхности куска вследствие конденсационных процессов. При подземном выщелачивании существенное значение имеют текстурные особенности куска руды - пространственного положения минерализованных и полых трещин, определяющих очертания кусков, их внутреннее строение и состав минералов, непосредственно контактирующих с поступившей на кусок жидкостью.
По виду обработки все системы орошения подразделяются на: разбрызгивание, распыление, затопление и рассредоточение с помощью взрыва.
Разбрызгивание может осуществляться с помощью напорных шланговых распределителей, вертикальных перфорированных труб, вращательных разбрызгивателей, эмиттеров, газонных дождевальных установок, струйных пластиковых дождевателей, разбрызгивателей типа «Сегнерово колесо».
Напорные шланговые распределители выщелачивающего раствора располагают по поверхности рудного массива (штабеля). Шланги перфорированы заданным количеством отверстий и шагом их расположения. Выщелачивающие растворы подают в шланговые системы песковыми насосами с открытыми турбинками. Такие верхние дренажные распределители часто изготовляют из пластиковых труб с наконечниками в виде брызгал.
Вертикальные перфорированные трубы вводят в слой руды через равные интервалы (5-10 м). Это облегчает поступление раствора и воздуха внутрь штабеля и интенсифицирует процесс выщелачивания. Такая система введения раствора помогает снять проблему потерь раствора за счет его испарения, что особенно актуально в аридных засушливых рай-
онах, и разрешить проблемы замерзания подаваемых рабочих растворов на поверхности штабеля при отрицательных температурах окружающей среды в зимний период времени.
Вращательные разбрызгиватели бывают двух типов. Первый из них - это виглеры, то есть хирургические трубки, вставляемые в отверстия системы оросительных труб. Эти вставки приводят к хаотическому раскачиванию труб, что улучшает равномерность распределения выщелачивающего раствора по поверхности штабеля.
Другой тип распределителей - это вобблеры. Они представляют собой эксцентричные разбрызгиватели вращательного типа. Их устанавливают на стальных стояках высотой не более 1,2 м. Эксцентрично вращаясь, они обеспечивают орошение крупными каплями, и это уменьшает испарение растворов. Вобблеры устанавливаются в разном количестве, определяемом плотностью орошения при заданном давлении. Нужная плотность орошения достигается правильным выбором типов разбрызгивателей, наряду с оптимальным их размещением и достаточным
поддержанием в них давления (рис. 1).
Разбрызгиватели выбирают так, чтобы обеспечивать равную интенсивность орошения в пределах их радиуса действия. Вначале разбрызгиватели устанавливают по углам штабеля с рудой, затем их устанавливают по периметру штабеля, отступая от края, чтобы избежать разбрызгивания за пределами штабеля. Они устанавливаются на необходимом расстоянии, обеспечивающем нужное перекрытие. Затем уже устанавли-
вают разбрызгиватели в остальной части штабеля. Часто создают несколько завышенную плотность орошения для краев штабеля, так как в этих местах особенно часто возникают трудности с достижением требуемого извлечения полезного компонента.
Эмиттеры - это нагнетательные разбрызгиватели. Их можно сравнить с капельными оросительными системами в сельском хозяйстве. Применяемые типы эмиттеров используют принципы турбулентного потока и соединяются линейно для обеспечения равномерного распределения выщелачивающих растворов по поверхности рудного штабеля. При работе нагнетательных эмиттеров капельки раствора проходят по извилистым каналам, теряя давление и медленно высачиваясь из них. Используемые эмиттеры действуют при сравнительно низком давлении обычно от 15-20 до 100-140 кПа. Часто эмиттеры погружают в руду на глубину 20-25 см, хотя установка их на поверхности тоже практикуется. Наиболее важным фактором в решении вопросов о необходимости погружения
эмиттеров в рудный материал является климат района. В районах с неблагоприятным климатом в зимние месяцы эмиттеры рекомендуется погружать непосредственно в рудную массу. Размещение и количество эмиттеров расчитывают из требуемой интенсивности орошения, примерно равной 0,003 л/сек.м2 или 11 л/час.м2. Главное преимущество использования эмиттеров заключается в обеспечении непрерывного капания раствора с минимальной силой падения. Этим сводится к минимуму перемещение зерен, каналирование и кольматация выщелачиваемого рудного материала. В результате непрерывного капания штабель смачивается по горизонтали и вертикали вследствие капиллярного эффекта, весьма сходного с распылением раствора соплами. Другими преимуществами эмиттеров являются:
• возможность проведения работ в зимнее время;
• уменьшение потерь раствора за счет испарения воды;
• уменьшение разрушения поверхности.
Эти преимущества значительны, если указанные факторы включаются в расчет валовых расходов. Главный недостаток использования эмиттеров состоит в возможном отложении карбонатов кальция и шламов в небольших канальцах эмиттеров. Поэтому прудки-накопители маточников после извлечения выщелачиваемых компонентов из продуктивных растворов должны обеспечивать хорошую очистку растворов, рециркулируемых при кучном выщелачивании руды.
Разбрызгиватели типа «Сегнерово колесо» представляют собой насадку, присоединяемую к вы-ходныым патрубкам подающей трубы в виде гибких пластиковых шлангов длиной 0,5 м. Под действием давления струи подаваемого раствора эти насадки вращаются как Сегнерово колесо и обеспечи-
вают высокую разбрызгиваемость раствора (рис. 2).
Затопление может осуществляться посредством предварительного образования канавок по всей ширине площадки через равные промежутки. В канавки укладывают перфорированные трубы диаметром 100 мм. Трубы засыпают гравием и на подготовленную площадку с приемным дренажем укладывают руду с размером кусков около 25 мм, чтобы обеспечить слой высотой 6-9 м. Концы заглубленных труб соединяют двумя параллельными трубами из поливинилхлорида диаметром 150 мм, по которым продуктивные растворы после выщелачивания направляют в приемные баки.
Такие прудковые оросители эффективны в засушливом климате, где тонкое разбрызгивание при подаче выщелачивающих растворов приводит к высоким их потерям. Они могут использоваться при довольно низкой проницаемости штабеля, ограничивающей фильтрацию. На очень пористом рудном материале с быстрой фильтрацией (более 30 м/сут) затопление не рекомендуется. В этом случае возможен подъем уровня раствора внутри штабеля, что может привести к его неустойчивости.
Часто на поверхности рудного штабеля создают каскады специальных прудков, разграниченных малыми дамбами. Подачу раствора ведут путем затопления этих ограниченных участков штабеля. Данный способ более прост в техническом отношении по сравнению с другими. Одноразовое затопление кучи позволяет покрыть ее поверхность слоем раствора толщиной до 10 см и более. На всей затопляемой
поверхности происходит фильтрация в трещины и поры, воздух из последних под действием веса сплошного столба жидкости продавливается вниз. Так как объем пор составляет обычно 15-40 % от объема руды, то при проникновении в кучу толщина сплошного слоя жидкости увеличивается. По мере продвижения раствора внутрь кучи из-за разности энергии смачиваемости руды раствором и газом происходит опережающее стекание жидкости по поверхности дробленного материала. Воздух перемещается вниз с меньшей скоростью, пузырьки удерживаются в трещинах силами капиллярного давления и продавливаются внутрь кучи со скоростью в 3-5 раз меньшей, чем раствор. Поэтому устремившиеся вниз потоки жидкости все время освежаются воздухом. За 6-24 часа между поливами образуется новое воздушно-поровое пространство в толщине до 3-4 м кучи. Выщелачивание в это время происходит в инфильтрационном режиме, когда поры заполнены раствором на 50 %, а кислорода в порах в 10 и более раз больше, чем необходимо для выщелачивания золота. При таком варианте орошения поверхность кучи остается залитой раствором не более 2-4
Рис. 2. Основные части эмиттера и эмиттер в сборе
Рис. 3. Схема кучного выщелачивания при отрицательных температурах окружающей среды
часов в сутки, в остальное время чистый атмосферный воздух всасывается внутрь кучи. Если в случае разбрызгивания рабочих растворов выброс цианидов и синильной кислоты наблюдается в течение всего периода выщелачивания, то в данном способе выброс вредных веществ наблюдается преимущественно в период подачи растворов на поверхность кучи, и общие выбросы цианидов в окружающую среду снижаются.
Устройство для распределения рабочего раствора содержит трубы для подачи рабочего раствора, безнапорный распределительный механизм, включающий направляющий патрубок, установленный с возможностью вращения, неподвижный диск с распределительными патрубками, причем распределительные патрубки соединены с трубками для подачи рабочего раствора. С помощью этого устройства раствор, направляемый на орошение кучи, поочередно распределяется по секциям затопления, расположенным на поверхности кучи. Вследствие непрерывного истечения раствора через напорную трубу, распределительное устройство и трубы на поверхности кучи, живое сечение которых на протяжении всего пути практически не меняется, а также вследствие относительно высокого расхода жидкости (150-250 м3), исключается кристаллизация мало-
Рис. 4. Сбор продуктивных растворов при подземном выщелачивании
растворимых соединений кальция на подвижных и неподвижных патрубках устройства и внутренних стенках труб, снижаются потери на преодоление гидравлического сопротивления в оросительной системе. Число распределяющих патрубков равно числу затопляемых секций на поверхности кучи. Продолжительность затопления одной секции составляет 30-60 минут и определяется производительностью циркуляционного насоса. Периодичность затопления одной секции может изменяться от 1 до 4 раз в сутки и определяется фильтрационными свойствами дробленого материала и требованиями технологического регламента при кучном выщелачивании.
Орошение штабеля может осуществляться также путем распыления рабочих растворов в случае, если крупность выщелачиваемой руды минимальна. Для этого на распределительные устройства устанавливают форсунки. По принципу работы, форме струй и способу их распыления известны форсунки центробежные, центробежно-струйные, ударно-струйные и комбинированные.
Рассредоточение с помощью взрыва может осуществляться путем бурения скважин в массиве и заложения в них наряду со взрывчатым веществом капсул с технологическим раствором, который посредством взрыва распределяется в рудном массиве.
По расположению устройств, подающих выщелачиваемые растворы, выделяют поверхностные и внутренние, расположенные внутри штабеля. К первым относятся перфорированные трубы и шланги, равномерно уложенные на поверхности штабеля. При низких температурах процесс выщелачивания замедляется, поэтому
для условий с холодной зимой требуется применять специальные технологии (рис. 4), согласно которым первоначально производят планировку выемки 1 и покрытие ее антифильтрационным слоем 2. После чего создается сеть перфорированного трубопровода 3. Затем в летний период формируют штабель с чашеобразной поверхностью. В зимний период в трубопровод подают выщелачивающие растворы. При подаче растворов в режиме отсутствия объемных вод реагент в виде пленок мигрирует в верхние слои штабеля 4, выщелачивая при этом золото. Золотоносные растворы, попадая на поверхность штабеля, образуют ледяную линзу 5, лед из которой периодически удаляют тельферами. В теплый период реагент подают на поверхность штабеля, а трубопровод служит рас-твороприемником (рис. 3).
К внутренним устройствам подачи растворов относятся также вертикальные нагнетательные скважины.
Системы орошения классифицируются также по направлению поступления растворов в выщелачиваемый массив. Наиболее распространенным вариантом является поступление растворов под действием сил гравитации сверху вниз. Но при создании гидравлического замка возможна смена направления миграции на противоположное.
Изменение направления миграции рабочих растворов достигается и другими путями. Например, при снижении концентрации металлов в продуктивных растворах производят кольматацию участка формирования потока реагента в зоне интенсивного выщелачивания. Данную кольмата-цию осуществляют через оросительные скважины, обсаженные полиэтиленовыми перфорированными трубами, которые проходят в толще выщелачиваемой руды.
При фильтрационном выщелачивании значительно большая скорость движения растворов достигается непосредственно над точками подачи растворов и уменьшается при удалении от них. Поэтому образуется так называемая «зона интенсивного выщелачивания», в которой полезный компонент быстрее переходит в раствор, чем в периферийной части инфильтрационного потока. Для устранения этого недостатка зону интенсивного выщелачивания частично кольматируют. Таким образом, создается возможность подачи выщелачивающего раствора в периферийную область инфильтра-ционного потока и активной ее проработки.
6.
Гравитация
Силы, определяющие миграцию технологических растворов
термоградиент
градиент концентрации (осмос)
/»
7. Способ интенсификации процесса выщелачивания
Подогрев насыщение кислородом предварительная активация
Л А
о о о о
'о «А.
8. Тип активных агентов Кислоты щелочи
'Ш-
бактерии
гШг,
9. Режим орошения (напорный, безнапорный)
10. Время воздействия выщелачивающих растворов (постоянно, периодически)
II ЕЧЧ ЧУУч~0ЧУУ^
По способу распределения рабочих растворов выделяют обычное распределение и с рассредоточением потока. Для рассредоточения потока в массиве штабеля формируют по меньшей мере один слой мелкозернистого материала высотой 50120 мм. В результате обеспечивается распределение гидродинамического потока по всему сечению штабеля.
На миграцию технологических растворов значительное влияние оказывает и набухание выщелачиваемого материала. Поэтому при кучном выщелачивании металлов из высоко глинистых руд необходимо учитывать то, что набухание глин носит осмотический характер и его причиной является разница в концентрации солей в поровом и окружающем породу растворах. Если концентрация внешнего раствора меньше концентрации порового -происходит набухание горной массы. Для снижения набухания глинистых руд и увеличения их проницаемости на выщелачивание необходимо подавать не
«чистые» растворы, а уже имеющие начальное содержание выщелачиваемых металлов. По типу активных агентов различают кислоты, щелочи, органические соединения и
бактерии. Процесс выщелачивания может производиться с интенсификацией или без нее. Факторы, ускоряющие выщелачивание - подогрев рабочих растворов, насыщение выщелачиваемого массива кислородом путем прокладки внутри него труб аэрационной системы и предварительная активация руды.
Режим орошения выщелачиваемого массива может быть напорным и безнапорным.
Добиваясь повышения величины извлечения полезного компонента, необходимо учитывать также содержание выщелачивающих реагентов в рабочем растворе, расход раствора и периодичность орошения штабеля. Эти факторы определяются на этапе лабораторных испытаний. Если руда не представляет трудности для фильтрации, то плотность орошения поддерживается в пределах 3,6-21,6 л/час.м2. Типовые скорости орошения колеблются в узких пределах от 7,2 до 10,8 л/час.м2.
Системы сбора продуктивных растворов.
Технология подземного и кучного выщелачивания должна гарантировать предотвращение миграции выщелачивающих и продуктивных растворов в горизонты подземной гидросферы. Нередко для исключения утечки растворов в подстилающие породы в основании блоков подземного выщелачивания формируют гидроизоляционную подушку, а при кучном выщелачивании -гидроизоляционное основание.
При подземном выщелачивании сооружение гидроизоляционного основания требует проведения выработок нижней подсечки высотой 2,5-3 м, как правило, мелкошпуровым способом. Затем на почву выработки укладывают слой песка, а поверх него настилают полиэтиленовую пленку. Сверху пленку покрывают предохранительным слоем из мелкодробленой породы толщиной 0,4-0,6 м. Продуктивные рас-
творы собирают в дренажную выработку, располагаемую под днищем камеры, стенки и подошву которой покрывают гидроизоляционным составом. Из дренажной выработки продуктивные растворы откачиваются в центральный растворосбор-ник (или поступают туда через рудоспуски) (рис. 4). Опыт подземного выщелачивания показывает, что в большинстве скальных пород сооружение гидроизоляционной подушки не требуется при инфильтра-ционном режиме. Достаточно в основании камеры пробурить разгрузочные скважины из кровли дренажной выработки.
В том случае, когда гидрогеологическая ситуация в районе месторождения позволяет откачивать продуктивные растворы с уровня подземных вод и при этом не происходит загрязнения техногенными элементами, гидроизоляционные работы можно не производить.
Система сбора при помощи безнапорного подстилающего слоя дробленого рудного материала.
При кучном выщелачивании для приема продуктивного раствора вокруг кучи сооружают берму с целью поддержания определенного подтопления кучи, через которую продуктивный раствор переливается как через порог в обводящую кучу канаву. На дно канавы укладывают отводящую трубу, по которой раствор передается в зумпф для откачки на карту продуктивных растворов. Скорость отвода продуктивных растворов из штабеля повышается с увеличением наклона основания кучи. В этом случае сооружение штабелей на пологих склонах имеет большие преимущества. Если найдена удобная площадка, ее ориентацию и форму можно изменять для облегчения сбора раствора так, чтобы под действием сил гравитации раствор направлялся в наиболее низкую точку с последующей отправкой на карту продуктивных растворов. Если площадка очень крутая
или слишком плоская для достижения нужного уклона может потребоваться выемка и перемещения грунта. Для оснований с крутым уклоном существуют менее дорогие варианты, чем перемещение грунта. Например, основание с переменным уклоном, когда дно площадки более плоское, чем ее верх. Кроме того, для оснований с крутым уклоном могут быть лучшим вариантом долинные или ступенчатые основания.
Трубчатый нижний дренаж для сбора продуктивного раствора.
Перфорированные трубы помещают внутри дренажного слоя и они способствуют сбору растворов. Кроме этого они помогают предотвратить формирование давления свободной воды на основание площадки в схемах, использующих гравитационный дренаж и уменьшают возможность потерь продуктивных растворов за счет растекания. Дренажные трубы бывают напрямую связаны с системой труб, ведущих к картам сбора продуктивных растворов или могут быть направлены через обводную сборную канаву или сборный коллектор. Коллекторная дренажная система в штабеле проектируется так, чтобы поддерживать зону насыщения по возможности на более низком уровне, но при этом обеспечивать постоянство и минимальный градиент потока раствора через штабель.
Сборная система должна действовать как фильтр для руды, чтобы мелкие частицы не сдвигались и не перемещались растворами в сборные трубы и траншеи.
Как и изоляция, коллекторная система должна быть химически устойчивой к выщелачивающим растворам. Это включает подбор размеров отверстий, либо установку филь-трующих устройств на отверстиях трубок и сведение к минимуму разрушения дренажного материала растворами.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Воробьев Александр Егорович - профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет.
Каргинов Казбек Георгиевич - кандидат технических наук, Правительство РСО-Алания.
Одинцова Елена Викторовна - студентка, Московский государственный горный университет.
Чекушина Татьяна Владимировна - кандидат технических наук, ИПКОН РАН.
