CC BY
39
СЕМИНАР 4
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99" МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99
Ю.А. Мамаев, В.С. Литвинцев, А.М. Пуляевский, Г.П. Пономарчук, С.И. Корнеева,
Институт горного дела ДВО РАН
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССОВ МИГРАЦИИ И КОНЦЕНТРАЦИИ ЦЕННЫХ КОМПОНЕНТОВ БОЛЬШОЙ ПЛОТНОСТИ В ДВУХФАЗНЫХ ВЗВЕСЕНЕСУЩИХ ПОТОКАХ *
Введение
Освоение природных и техногенных россыпных месторождений благородных металлов в современных условиях ухудшения их качественных характеристик обуславливает необходимость переработки значительных объемов горной массы. Это приводит, с одной стороны, к высокой стоимости горных работ, а с другой, - не обеспечиваются условия эффективности обогащения песков в связи с тем, что невозможно обеспечить их оптимальные режимы при переработке недостаточно классифицированной горной массы, поэтому неизбежны значительные потери ценного компонента. Кроме того, переработка значительных объемов горной массы преимущественно на аппаратах гравитационного обогащения в водной среде способствует существенному загрязнению природной среды.
Одним из путей повышения эффективности освоения россыпных месторождений является многократное разделение перерабатываемой продуктивной горной массы по крупности на классы, что позволяет существенно сократить объемы продуктов дальнейшей переработки, создать благоприятные условия для обогащения песков и извлечения ценных компонентов, уменьшить сброс за пределы горных работ загрязненной технологической воды, уменьшить площади, занимаемые под отвалами пород.
Однако, анализ показывает, что мультиклассификация перерабатываемой продуктивной горной массы с обеспечением выхода заданного класса крупности на применяемых аппаратах является
процессом трудоемким, энергоемким и дорогостоящим. Существующие в настоящее время классификационные аппараты (гидровашгерды, дражные бочки, скрубберы и др.) обладают сравнительно низкой (40-60 %) эффективностью разделения пород на классы и недостаточной технологической надежностью.
В практике освоения россыпных месторождений, в отличие от других отраслей горной промышленности, проблема классификации горной массы не имеет достаточного самостоятельного научного и технологического развития.
В ИГД ДВО РАН начаты исследования, направленные на развитие теоретических основ процесса мультиклассификации песков россыпей, создание на их основе новых и совершенствование действующих классификаторов с широким диапазоном достигаемых значений крупности разделяемых минералов. В процессе классификации песков происходит концентрация (обогащение) ценных минералов, отличающихся различной плотностью. Это позволяет последовательно сокращать объемы перерабатываемой продуктивной горной массы и добиваться улучшения режимов работы обогатительных аппаратов, что дает существенное повышений извлечения ценных компонентов. В то же время нет достаточно точных аналитических зависимостей, описывающих процессы движения двухфазных потоков с различной степенью концентрации твердой фазы, поэтому расчет конструктивных и технологических параметров аппаратов для предварительной переработки продуктивной
горной массы затруднен. В этом кроется одна из причин недостаточного применения аппаратов концентрации и классификации песков при разработке россыпей. В связи с ухудшением качественных и количественных показателей россыпной золотодобычи значение процессов предварительной подготовки горной массы к обогащению при одновременном снижении объемов и повышении концентрации ценных компонентов в промпродук-тах существенно возрастает. Это позволяет сделать вывод об актуальности выполняемых по данному проекту исследований.
Объектом исследований являются природные (геогенные), природно-техногенные и техногенные россыпные месторождения благородных металлов.
Предмет исследований - процессы миграции и концентрации ценных компонентов большой плотности в аппаратах со сплошной и криволинейной сеющими поверхностями, применяемых при разработке россыпных месторождений.
Цель исследований — выявить новые знания о процессах переработки и подготовки песков россыпных месторождений к обогащению.
1. Общие положения
Классификация золотосодержащих песков при разработке россыпных месторождений является процессом разделения минеральной горной массы на классы в соответствии с геометрическими размерами частиц, их плотностью и гидравлической крупностью в потоках гидросмеси.
Основу данного процесса составляет совместное стесненное па-
* Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
дение отдельных (свободных) частиц минералов в потоке гидросмеси под действием различных сил (гравитационных, центробежных, гидродинамических). В индустрии строительных материалов результатом классификации является получение двух или нескольких классов крупности однородной минеральной массы. В горнорудной промышленности процесс классификации горной массы сопровождается концентрацией ценных минералов (как правило, имеющих большую плотность) в одном (или нескольких) выделяемом классе, что обеспечивает получение двух продуктов: содержащих золото и другие минералы (промпродукт) и хвостов, не содержащих полезные компоненты, за исключением технологических потерь (пустые породы).
Основным показателем эффективности классификации золотосодержащих песков является коэффициент концентрации золота (ккз) в выделенном классе, который определяется по формуле
8....... (1)
~>'Е
где 8Д - содержание золота в
продукте классификации, г/м3; 8Е
- содержание золота в исходных песках, г/м3
Другими важными показателями эффективности классификации являются коэффициент кратности снижения объемов песков, направляемых на последующую переработку (кв) и коэффициент увеличения содержания золота в золотосодержащих классах (кз)
К. =-± 100%,
о,.
к =°д^
(2)
(3)
где Vz - объем исходных песков,
м3; Уд - объем песков, полученных
в результате классификации, м3.
Данные коэффициенты характеризуют энергоемкость процессов дальнейшей переработки промпро-дукта; чем выше значения этих коэффициентов, тем эффективнее
могут быть последующие процессы, в связи с тем, что на переработку направляются пески минимального объема с максимальным содержанием ценного компонента.
Таким образом, основными граничными условиями эффективности процесса классификации песков и концентрации ценных компонентов является следующая взаимосвязанная система значений параметров эффективности:
8Л
кк =-д-100% ^ 1, кз с* ’
5Е
і V
к, = ^ тах,
V V ’
(4)
к = .°д^
• тах.
Однако, достижение максимальных значений параметров эффективности классификации в практике золотодобычи невозможно в связи с тем, что на большинстве перерабатывающих агрегатах (драги, пром-приборы и т.п.) отсутствуют аппараты мультиклассификации горной массы, в лучшем случае выполняется всего один цикл классификации пород. Как показывают результаты выполненных нами ранее исследований, основным условием повышения извлечения золота является снижение максимальной крупности фракций золотосодержащих песков до 3- 5 мм. Добиться этого можно на основе использования суживающихся (струйных) желобов и конических гидрогрохотов.
Разделение минералов по плотности в гидравлических потоках малой высоты является высокоэффективной технологической операцией, позволяющей достаточно просто и без существенных энергетических и материальных затрат выделить узкий класс промытой горной массы, содержащей полезные компоненты высокой степени концентрации. Этот процесс реализован в сепараторах со струйными желобами, [1, 2] широко применяющимися как в зарубежных странах, так и в России при обогащении минералов плотностью до 5-7 г/см3.
К существенным недостаткам суживающихся желобов относится резкое ухудшение показателей их работы при колебания консистенции и плотности твердой фазы гидропотока.
Необходимо отметить, что возможность применения струйных желобов для обогащения золотосодержащих песков россыпных месторождений исследована недостаточно.
В настоящее время в стадии экспериментальных исследований и опытно-промышленного внедрения находится разработанный ИГ Д ДВО РАН конический гидрогрохот с двухсторонним подводом гидросмеси для применения его в технологической цепи аппаратов драги. Конический гидрогрохот выполняет разделение твердой фазы гидросмеси на два продукта - подрешетный продукт (минусовый) с максимальным размером выделяемых классов зерен в пределах до 6 мм, и над-решетный продукт (плюсовой), содержащий классы крупности выделяемых зерен (+6 - 16) мм.
1.1. Применение суживающихся желобов и конических гидрогрохотов в практике переработки и подготовки золотосодержащих песков к обогащению на драгах и других промывочных приборах определяет следующие положительные тенденции:
1) создание нескольких дополнительных схем фракционирования песков позволяет получить несколько классов золотосодержащего концентрата для его последующего обогащения в оптимальных условиях;
2) полученный класс концентрата содержит максимально возможное количество золота в минимально возможном объеме сопутствующих пород;
3) размеры частиц золота и породы в каждом классе распределены таким образом, что гидравлическая крупность золота намного (в 3 - 5 раз) выше гидравлической крупности породы, что повышает эффективность процесса обогащения;
4) каждый последующий этап
фракционирования песков позволяет получать золотосодержащий концентрат с содержанием в нем мелкого золота, которое не было извлечено на предыдущем этапе классификации.
Таким образом, переработка продуктивной горной массы на основе ее мультиклассификации позволяет повысить извлечение золота за счет дополнительно выделяемых мелких фракций и широко вовлекать в эксплуатацию техногенные месторождения. Кроме того, появляется возможность успешно решать вопросы извлечения из россыпей не только золота, но и других ценных минералов.
2. Процессы концентрации золота в тонкослойных гидропотоках на суживающихся желобах
Изучение гравитационных процессов при движении двухфазных гидропотоков было начато во второй половине XIX - начале XX века. Положили начало этим исследованиям труды П.Р. Реттингера, Х.С. Мунро, Р.Х. Ричардса [3].
В современный период изучением гравитационных процессов применительно к взвесенесущим двухфазным потокам занимались П.В. Лященко, А. Хирст, Ф. Дайер, И.М. Верховский, Н.Н. Виноградов, Е.А. Непомнящий, В.Н. Шохин, О.Н. Тихонов, А.И. Поворов, А.М. Годен, Б.В. Кизевальтер и др.
Перемещение твердых частиц в гидропотоке по наклонной гладкой поверхности возможно тремя способами: скольжением и перекатыванием по дну; скачкообразным движением с касанием дна; полностью во взвешенном состоянии. Способ транспортирования частицы определяется скоростью движения, толщиной потока, гидравлической крупностью частицы, концентрацией твердой фазы.
Скорость движения частиц по наклонной плоской поверхности
iv2 (f cos а -U = V - “ ^
0 '\|-pisin а /(р,-pJ)fV2 , (5)
где Vo - средняя скорость течения жидкости в слое высотой, равной диаметру частицы;
1. V - скорость свободного падения частицы; f - коэффициент трения частицы о поверхность дна; а -угол наклона плоскости; V - составляющая скорости жидкости по нормали к поверхности дна.
Здесь наиболее грубым допущением является приравнивание коэффициентов динамического сопротивления при движении частиц коэффициентам трения, поэтому данные расчеты можно применять только для качественных оценок режимов и параметров гидропотока.
Применяющийся для описания процессов распределения частиц по высоте потока математический аппарат основан на уравнении квази-стационарного равновесия частиц под действием сил тяжести и диффузионного перемешивания (3), однако решение этого уравнения дает опять-таки только приблизительные значения расчетных величин, поскольку некоторые параметры в уравнении имеют разброс значений на порядок. Например, коэффициент перемешивания (диффузии) для механических классификаторов может принимать значения от 10 до 100 см2/с.
Поэтому актуальными являются исследования, позволяющие на основе экспериментальных работ уточнить некоторые расчетные коэффициенты взвесенесущего двухфазного гидропотока, в том числе и в условиях высокой концентрации твердых частиц.
Область проводимых нами теоретических и экспериментальных исследований - определение закономерностей разделения минералов плотностью 17-19 г/см3 и горной массы плотностью 1.6-2.4 г/см3 в гидравлических потоках небольшой высоты. Важной предпосылкой для проведения таких исследований являлось также то обстоятельство, что в некоторых практически важных случаях гидросмесь, движущаяся по наклонной плоскости, имеет настолько большую степень насыщения твердой фракцией, что закономерности, установленные ранее для гидросмесей с малыми или умеренными концентрациями, стано-
вятся совершенно неприменимыми.
Общий метод построения кривой свободной поверхности потока гидросмеси концентратора с поперечными разгрузочными щелями (с необходимой, наперед заданной точностью) изложен Ю.А. Мамаевым в [4]. Однако практическое использование этого метода (равно как и других возможных методов) требует принятия той или иной зависимости для оценки гидродинамического сопротивления.
Если допустить, как это обычно делается в инженерных расчетах, что потери напора h при неравномерном движении могут быть выражены формулой Дарси-Вейсбаха, т.е. так же, как и при равномерном движении:
V2
h = Х----, (6)
8Rg
где X - коэффициент гидродинамического сопротивления; V -средняя по сечению скорость, ос-редняемая также и по длине расчетного участка; R = ю / % - гидравлический радиус; та - площадь живого сечения потока; % - смоченный периметр, то задача, очевидно, сведется к установлению величины коэффициента гидродинамического сопротивления (коэффициента Дарси).
Таким образом, для расчета параметров движения двухфазной гидросмеси и достижения высокой степени концентрации ценных компонентов с применением сужающихся желобов, необходимо иметь более или менее четкое представление о гидравлических сопротивлениях движению гидросмеси при достаточно высоких значениях концентрации твердой фазы (или отношения Т : Ж). Учитывая, что к настоящему времени эти знания даже для малых концентрации твердых в потоке крайне ограничены и часто противоречивы, актуальной следует считать задачу установления основных закономерностей, которым подчиняется коэффициент Дарси при высокой концентрации твердой фазы.
Для решения этой задачи были проведены серии экспериментальных работ. В процессе их выполнения изменялись ширина разгрузочного устройства, угол наклона желоба, измерялись глубина потока и время эксперимента. По завершению каждого эксперимента производились замеры объемов выхода твердой и жидкой фаз в приемные устройства по каждой поперечной щели и в хвосты. Подщелевые промпродукты и хвосты промывались на обогатительной установке для определения количества и ситового состава выделенного ценного компонента. По данным экспериментов рассчитывались параметры процесса концентрации ценного компонента в подщелевых пром-продуктах желоба.
Сделано ранжирование результатов экспериментальных исследований по степени уменьшения выхода золота в промпродукт с учетом следующих параметров: Re, Fr, i, Т : Ж. Определены пять рангов групп экспериментальных работ. Критерием оценки эффективности концентрации полезного компонента в суживающихся желобах служит отношение содержания золота в подщелевом промпродукте к содержанию золота в исходных песках. Исходя из этого, можем считать, что наиболее эффективно процесс концентрации золота в промпродукте происходит при следующих технологических и конструктивных параметрах (при заданном конкретном значении гранулометрического состава горной массы) желоба:
1) размер щели 4-6 мм, выходное разгрузочное отверстие 60 мм, угол наклона дна желоба от 14 до 21°;
2) отношение твердой фазы к жидкой в пределах от 1 : 0.5 до
1 : 1.5 при максимальной крупности фракций горной массы до 5 мм, а золота до 2.5 мм
3) при ширине щели 6 мм максимальная извлекаемая крупность фракций золота может быть до 2.5 мм, а при ширине щели 4 мм - до 1.5 мм.
Сделанные выводы по результатам экспериментальных работ показывают, что щелевые концентраторы (суживающиеся желоба) являются весьма перспективным технологическим оборудованием для переработки (классификации горной массы и концентрации ценных компонентов) песков россыпных месторождений. Однако в проведенных ранее исследованиях не ставилась задача получения объективных экспериментальных данных для определения коэффициентов гидродинамического сопротивления при движении двухфазных взвесенесу-щих потоков с высокой степенью концентрации твердой фазы, поэтому делать выводы о том, что определены оптимальные значения режимов и параметров работы оборудования преждевременно. Необходимо детально исследовать закономерности изменения коэффициентов гидродинамического сопротивления указанных потоков от всех влияющих факторов. Эти исследования выполнены в 1998 г.
В экспериментах использовался продукт, полученный из хвостов обогащения шлихообогатительной фабрики Соловьевского прииска, типичный для многих россыпных месторождений Дальневосточного региона. Поскольку суживающиеся желоба предполагается использовать для концентрации не только золота, но и других ценных минералов, то был определен гранулометрический состав данного минерального продукта и сделан детальный минералогический анализ.
Установлено, что коэффициент гидродинамического сопротивления двухфазного потока (аналогичный коэффициенту Дарси для «чистой» или гомогенной жидкости) должен определяться отношением Т : Ж (или концентрацией твердого), числом Фруда, уклоном и соотношением плотностей твердого и жидкости. Эксперименты, проведенные с учетом этих положений, подтвердили правильность применения теории подобия и позволили сделать следующие предваритель-
ные выводы: 1) Гидродинамические сопротивления двухфазных потоков при высоких концентрациях твердого материала существенно отличаются от тех, которые характерны для потоков с небольшим содержанием частиц; 2) Коэффициент гидродинамического сопротивления при больших концентрациях твердого зависит от отношения Т : Ж гидропотока, увеличиваясь с его ростом;
3) Влияние числа Фруда на величину коэффициента гидродинамического сопротивления отличается от предыдущего показателя. Вначале, с возрастанием числа Фруда величина коэффициента сопротивления уменьшается, а затем немного увеличивается. Для уточнения этого вывода и объяснения его природы требуются дополнительные экспериментальные исследования.
3. Характеристика физических процессов миграции и концентрации минералов большой плотности в конических гидрогрохотах.
Одним из перспективных направлений переработки горной массы является использование аппаратов с закрученными гидравлическими потоками и конической сеющей поверхностью. Применение таких аппаратов определяет необходимость знания реальной физической сущности гидравлических потоков на рабочей поверхности грохота, которая является основой создания математической модели и корректного алгоритма, адекватно описывающего процесс разделения песков на классы по фракциям и по плотности ценных компонентов и позволяющего производить управление данным процессом.
В практике расчета грохотов с конической сеющей поверхностью, используемых в процессах обогащения песков россыпных месторождений, взаимосвязи теоретических и экспериментальных исследований нет, и до настоящего времени все расчеты выполняются на основании эмпирических зависимостей, полученных М.И. Хрусталевым [5] для фракционирования песчано-
гравийных пород в индустрии строительных материалов.
Необходимость выполнения таких исследований объясняется более сложной, по сравнению с дуговыми грохотами, гидродинамикой потока на рабочей поверхности конического гидрогрохота. Существующее представление о работе конического гидрогрохота исходит из того, что в аппарате образуются три потока: основной надрешетный закрученный поток; поток, нисходящий через щели колосников грохота; боковой поток, вызванный перекатыванием и скольжением над-грохотного материала в выпускной коллектор. Считается, что переход гидропотока из основного в нижний подрешетный совершается путем постепенного оттока слоев его по всей высоте основного потока. Также принимается, что скорость основного потока является постоянной, как в поперечном, так и в продольном направлениях. Влияние бокового потока, сносящего часть материала в слив гидрогрохота не учитывается.
Описанная картина потоков на рабочей поверхности конического гидрогрохота неполно отражает физику процесса фракционирования песков и позволяет производить только качественную и с большими
ограничениями количественную (на основе полученных эмпирических зависимостей) оценку процессов грохочения пород. Применение конических гидрогрохотов для целей концентрации ценных компонентов вообще ранее не рассматривалось. Это обуславливает необходимость проведения комплексных взаимосвязанных теоретических и экспериментальных исследований процессов фракционирования песков и концентрации ценных компонентов в подрешетное пространство, при котором происходит падение.
Для определения эффективности грохочения песков и концентрации ценных компонентов в подрешетном пространстве с помощью конического гидрогрохота проведены экспериментальные исследования на промышленной 250-литровой драге № 111 россыпи р. Джалинда, а затем на драге № 231 р. Коровино Соловьевского прииска Амурской области.
Исходя из результатов экспериментальных работ установлено:
1) выход мелких классов крупности песков в подрешетный продукт колеблется от 34 % до 95 %; 2) величины коэффициента неоднородности и модуля крупности снижаются более чем в три раза.
Экспериментальные работы для определения рациональных параметров движения двухфазных потоков в гидрогрохоте будут продолжены. Их результаты предполагается использовать для создания математической модели, отражающей зависимости параметров движения двухфазных взвесенесу-щих потоков от горно-геологических условий месторождения, технологических и конструктивных показателей оборудования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Богатов А.Д., Зубынин Ю .Л. Обогащение на струйных желобах. -М.: Недра, 1965.
2. Богатов А.Д., Зубынин Ю.Л. Разделение минералов во взвесенесу-щих потоках малой толщины. - М.: Недра, 1973.
3. Кизевальтер Б.В. Теоретические основы гравитационных процессов обогащения - М.: Недра, 1979. -295 с.
4. Мамаев Ю.А. Научно-методические и технологические основы рационального освоения техногенных россыпей золота // Докт. дисс. Хабаровск. - ИГД ДВО РАН, 1996.
5. Хрусталев М.И. Гидравлический расчет классификаторов вертикального типа с восходящим потоком чистой воды. - тр. ВНИИ железобетона, вып. 3, - М.:, 1960. - с. 50-68
© Ю.А. Мамаев, В.С. Литвинцев, А.М. Пуляевский, Г.П. Пономарчук, С.И. Корнеева
