Разработка технологии формирования и комплексного освоения техногенных месторождений на основе отходов переработки медно-колчеданных руд

Повышение социально-экономической эффективности использования недр — государственная политика России, одним из приоритетных направлений которой является реализация стратегии рационального недропользования. В этой связи особую значимость приобретают вопросы комплексного, экологически безопасного освоения месторождений минерального сырья. При этом первоочередной задачей ставится снижение объемов отходов предприятий и вовлечение их в эффективное промышленное использование.

Особо остро проблема полезного использования отходов стоит на Урале, где эксплуатационные запасы кондиционных руд практически отработаны, а на поверхности горного отвода в хвостохранилищах накоплено значительное количество техногенного сырья, причем процесс накопления непрерывен. Содержание ценных компонентов в отходах переработки медно-колчеданных руд и масштабы их накопления достаточно большие для перспективного вовлечения в промышленную эксплуатацию. Негативное экологическое воздействие техногенных образований на окружающую среду предопределяет настоятельную необходимость изыскания технологий их эффективного использования. Неоднородность техногенных массивов, сложность вещественного состава, содержание широкого спектра ценных компонентов в отходах переработки медно-колчеданных руд, обуславливают предпочтительность их разработки сочетанием процессов физико-технической и физико-химической геотехнологии.

Обоснование на базе комплексных геолого-минералогических и геотехнологических исследований эффективной геотехнологии вовлечения в промышленную эксплуатацию техногенных объектов, представленных отходами обогащения медно-колчеданных руд, с отнесением этих объектов к техногенным месторождениям, осваиваемым в процессе горных работ и складирования отходов методами физико-технической и физико-химической геотехнологии, является актуальной научно-практической задачей.

Целью работы является разработка комбинированной физико-технической и физико-химической геотехнологии формирования и эффективной промышленной эксплуатации техногенных месторождений, представленных отходами переработки медно-колчеданных руд, с обеспечением комплексности использования и высокой степени извлечения полезных компонентов.

Идея работы заключается в повышении эффективности освоения медно-колчеданных месторождений путем реализации единой технологической схемы добычи и переработки руд с последующим формированием техногенных массивов с заданными структурными и фильтрационными характеристиками для выщелачивания полезных компонентов в пространстве карьера, подземного рудника и хранилища отходов.

Задачи исследований:

— анализ и обобщение опыта разработки техногенных месторождений, представленных отходами обогащения полиметаллических руд;

— изучение структуры массива и вещественного состава отходов переработки медно-колчеданных руд текущих и размещенных в хранилище для обоснования технологии их вовлечения в промышленную эксплуатацию;

— исследование закономерностей процессов выщелачивания и извлечения цветных, редких и благородных металлов из отходов обогащения медно-колчеданных руд и оценка в связи с этим хранилищ отходов как перспективных техногенных месторожденийсистематизация технологических схем комплексной разработки техногенных месторождений сочетанием физико-технических и физико-химических процессов и обоснование методики выбора рациональной технологии утилизации отходов переработки медно-колчеданных руд;

— обоснование параметров и режимов технологии формирования из текущих отходов техногенных массивов и комплексной разработки техногенных месторождений медно-колчеданного сырья с последующей их утилизацией.

Для решения поставленных задач в качестве объекта исследований была выбрана комбинированная физико-техническая и физико-химическая геотехнология комплексного освоения техногенных месторождений, представленных отходами переработки медно-колчеданных руд на примере месторождений Бурибаевского ГОКа.

Методы исследований.

В работе использован комплексный метод исследований, включающий обобщение и анализ опыта разработки техногенных месторождений и переработки техногенного сырьягеолого-минералогические исследованияхимический и рентгенофазовый анализисследования физико-механических свойств техногенного сырьяатомно-эмиссионная спектрометрияфизическое моделированиепланирование эксперимента и статистическую обработку результатовтехнико-экономическую оценку.

Положения, представленные к защите:

1. Выбор технологической схемы вовлечения отходов переработки медно-колчеданных руд в промышленную эксплуатацию следует производить на основе разработанных типовых схем, классифицированных по виду техногенных образований: текущие, затопленные, осушенные, лежалые, и сочетанию процессов физико-технической и физико-химической геотехнологии в пространстве карьера, подземного рудника и хранилища отходов.

2. Разработку лежалых отходов обогащения медно-колчеданных руд следует производить путем снятия и утилизации поверхностного слоя, последующей валовой выемки нижележащих слоев с разделением по классу 2 мм на фракции бурого (-2мм) и серого (+2мм) цвета для переработки в отдельных циклах, исходя из установленной закономерности слоистого строения техногенного массива, представленного верхним слоем с низким содержанием металлов, и нижележащими чередующимися слоями бурого цвета с повышенным содержанием сульфидов, золота и серебра, и серого цвета с повышенным содержанием легкорастворимых минералов меди и цинка.

3. Снижение в период хранения колчеданного сырья содержания меди и цинка в 2−4 раза, благородных металлов и рассеянных элементов до 100 раз, обуславливает не традиционное складирование отходов в хвостохранилищах, а формирование техногенных массивов в карьере, подземном руднике и на поверхности с заданными фильтрационными характеристиками, обеспечиваемыми предварительным низкотемпературным окомкованием текущих отходов с использованием в качестве вяжущего медного шлака и извести в процентном соотношении по массе 90:5:5.

4. Комплексное освоение техногенных месторождений из отходов обогащения медно-колчеданных руд обеспечивается путем перевода в продуктивные растворы сернокислотного выщелачивания широкого спектра цветных, редких, благородных металлов и рассеянных элементов для их последующего извлечения методами гидрометаллургии и использования отходов выщелачивания для закладки выработанного пространства подземных камер.

Научная новизна работы:

— предложена классификация техногенных образований из отходов переработки медно-колчеданных руд в зависимости от условий их формирования, складирования и хранения, определяющая выбор технологических схем вовлечения отходов в промышленную эксплуатацию сочетанием процессов физико-технической и физико-химической геотехнологии в карьере, подземном руднике и на поверхности;

— установлены закономерности слоистого строения техногенного массива из отходов переработки медно-колчеданных руд в условиях длительного хранения, заключающиеся в контрастности технологических свойств, обусловленной процессами седиментогенеза и гипергенеза: цвета, гранулометрического, химического и минерального состава;

— показано на целесообразность формирования из текущих отходов обогащения медно-колчеданных руд техногенных массивов с требуемыми для выщелачивания цветных, благородных металлов и редких металлов технологическими характеристиками, обеспечиваемыми низкотемпературным окомкованием обезвоженных хвостов обогащения, извести и шлака медной плавки в процентном соотношении по массе 90:5:5.

Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечивается надежностью и представительностью исходных данных, сопоставимостью результатов теоретических и экспериментальных лабораторных и опытно-промышленных исследований, обработанных методами математической статистики, использованием современного оборудования и апробированных методик.

Практическая значимость работы состоит в разработке типовых технологических схем и методики выбора технологии вовлечения отходов переработки медно-колчеданных руд в промышленную эксплуатацию.

Реализация работы: опытно-промышленные испытания реализованны в условиях Бурибаевского ГОКа.

Апробация работы:

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2003) — на III Международной научно-практической конференции «Комбинированная геотехнология: Масштабы и перспективы применения» (Магнитогорск — Учалы, 2005) — на ежегодных научно-технических конференциях МГТУ им. Г. И. Носована технических конференциях Бурибаевского ГОКа. Основные результаты работы опубликованы в 5 печатных работах.

Объем и структура работы:

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 98 наименований, изложенных на 179 стр. машинописного текста, содержит 52 рис., 44 табл. и 1 приложения.

Выводы по 4 главе.

1. Результаты исследований комбинированной геотехнологии внедрены на опытно-промышленном участке Бурибаевского ГОКа. Реализация технологии окомкования текущих хвостов, поступающих с Бурибаевской обогатительной фабрики с использованием в качестве вяжущего извести в процентном соотношении по массе 95:5 позволила получить прочные, пористые, устойчивые в кислых средах выщелачивания окатыши. Из окатанного материала сформирован техногенный массив пригодный для освоения методами физико-химической геотехнологии. В виду малых объемов экспериментального массива — 60 тонн и небольшой извлекаемой ценности добываемого сырья, затраты на его отработку не окупаются. Вместе с тем, эксперимент позволяет уточнить режимы и параметры разработанных в лабораторных условиях технологических решений.

2. Разработаны технологические рекомендации по разработке лежалых отходов обогащения Бурибаевского ГОКа, формированию и переработке массивов с заданными технологическими характеристиками из текущих хвостов обогатительной фабрики, предусматривающие разработку старогоднего хранилища с разделением техногенного сырья на 3 сорта, утилизацию приповерхностного слоя в закладке или строительстве, выщелачивание благородных металлов из хвостов, представленных в бурой фракции с использованием цианистого процесса с получением товарных слитков благородных металлов. Фракции хвостов серого цвета целесообразно подвергать первичному чановому выщелачиванию с выделением богатого продуктивного раствора и последующим окомкованием нерастворимой фракции совместно с текущими хвостами для дальнейшего кучного выщелачивания.

3. Экономический эффект от реализации технологии переработки в год 200 тыс. т. текущих, 100 тыс. тонн лежалых хвостов серой фракции и 200 тыс.т. лежалых хвостов рыжей фракции составляет 200,9 млн.р. Срок окупаемости затрат на реализацию технологии комплексного освоения техногенного массива на основе текущих и лежалых отходов обогащения составляет менее 1 года.

Заключение

.

В диссертации дано новое решение актуальной научно-технической задачи — разработана геотехнология формирования и комплексного освоения техногенных месторождений на примере отходов переработки медно-колчеданных руд, обеспечивающая повышение полноты и комплексности освоения недр. Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Показано, что сочетание процессов физико-химической и физико-технической геотехнологии при комплексном решении вопросов разработки рудных месторождений и переработки формируемых и ранее созданных техногенных массивов в пространстве горных работ и складирования отходов позволят повысить полноту освоения недр, расширить минерально-сырьевую базу горнодобывающих предприятий, а также объем и номенклатуру выпускаемой товарной продукции.

Так, для условий Бурибаевского ГОКа с годовой производительностью по руде 200 тыс. т внедрение технологии переработки 500 тыс. т в год отходов обогащения позволит дополнительно получить 893 т меди, 484,5 т цинка, 9,97 т европия, 9,3 т селена, 390 кг германия, 23 т кобальта, 340 кг золота и 1,5 т серебра, что увеличивает объем товарной продукции на 287,4 млн руб. в современных ценах.

2. Проанализирован вещественный состав текущих и лежалых отходов обогащения медно-колчеданных руд на примере месторождений Бурибаевского ГОКа. Определена перспективность формирования техногенных массивов с заданными для последующей переработки технологическими характеристиками ввиду того, что при традиционном складировании в хвостохранилище происходит потеря качества в процессе хранения: меди и цинка в 2−4 раза, благородных металлов и рассеянных элементов до 100 раз. Сложный минеральный состав техногенного сырья и достаточно высокое содержание цветных, драгоценных металлов и редких элементов предопределяют необходимость применения физико-химических геотехнологий на основе выщелачивания.

3. Предложено текущие отходы подвергать окомкованию с использованием в качестве вяжущего медного шлака и извести в процентном соотношении по массе 90:5:5 для обеспечения требуемой для выщелачивания полезных компонентов фильтрации формируемого техногенного массива.

4. Установлена закономерность строения, минерального, химического и петрографического состава массива старогоднего хранилища отходов обогащения медно-колчеданных руд. Доказано, что техногенный массив сложен субгоризонтальными слоями, различающимися вещественным и структурным составом и физико-механическими характеристиками, и представлен приповерхностным слоем аэрации, который характеризуется низким содержанием металлов, и нижележащими чередующимися слоями бурого и серого цвета. Фракции бурого цвета, представленные преимущественно сульфидами, по сравнению с фракциями серого цвета, сложенными окисленными формами, содержат больше золота и серебра соответственно в 7,5 и 3,17 раз, и меньше меди и цинка, соответственно в 3,2 и 1,8 раз, что необходимо учитывать в технологической схеме их разработки. Рекомендована технологическая схема разработки лежалых отходов путем снятия и утилизации поверхностного слоя и валовой выемки фракций серого и бурого цвета с разделением по классу 2 мм. Выщелачивание хвостов серой фракции целесообразно осуществлять в два этапа: сернокислотным выщелачиванием в режиме перемешивания с получением богатого медью, цинком, селеном, кадмием продуктивного раствора и последующим кучным выщелачиванием кеков. Кучное выщелачивание хвостов бурой фракции целесообразно осуществлять с применением более агрессивных агентов с целью извлечения благородных металлов.

5. Дана классификация отходов обогащения медно-колчеданных руд в соответствии с условиями их формирования, складирования и хранения. Техногенные отходы разделены на 4 вида: текущие, затопленные, осушенные и лежалые. С учетом предложенной классификации разработаны и систематизированы типовые технологические схемы освоения техногенных массивов на основе отходов обогащения полиметаллических руд по виду техногенных массивов, составу технологических процессов комбинированной геотехнологии их разработки и характеристике технологического пространства ее реализации.

6. Показано, что комплексное освоение техногенных месторождений на основе отходов переработки медно-колчеданных руд обеспечивается путем перевода в продуктивные растворы сернокислотного выщелачивания широкого спектра цветных, редких, благородных металлов и рассеянных элементов для их последующего извлечения методами гидрометаллургии с использованием отходов выщелачивания в закладке выработанного пространства.

7. Установлены закономерности выщелачивания и извлечения из продуктивных растворов меди, цинка, кадмия, серебра, селена, кобальта, германия, европия при переработке текущих и старогодних отходов обогащения медно-колчеданных руд месторождений Бурибаевского ГОКа с учетом выявленной закономерности слоистости техногенного массива. Выщелачивание этих элементов из лежалых отходов протекает наиболее интенсивно в течение первых 40 суток, по истечению которых происходит переход большинства элементов из насыщенных растворов в твердую фазу.

8. Показано, что для комплексной переработки текущих отходов необходимо формирование из них техногенных массивов путем окомкования и укладки в штабель для последующего закисления и сернокислотного выщелачивания. Лежалые хвосты обогащения поверхностного слоя должны раздельно извлекаться и складироваться с решением вопросов утилизации выветрелых отходов с низким содержанием ценных компонентов.

9. Исследованы закономерности переработки продуктивных растворов выщелачивания методом сорбции на ионообменных смолах. Установлено, что переработку продуктивных растворов следует производить с первоначальным выделением меди при достижении концентрации более 500 о мг/дм, и последующим сорбционным концентрированием на анионите АВ-17−8 микроэлементов, десорбция которых с анионита 5%-ным раствором серной кислоты позволяет получить коллективный концентрат германия, серебра и кобальта, 15%-ным раствором селективно выделить европий, а 30%-ным — селен.

10. Подготовлен проект на опытно-промышленную апробацию технологии формирования и разработки техногенных массивов на основе текущих хвостов обогащения, реализуемый на Бурибаевском ГОКе.

Апробация выявила перспективность выщелачивания широкого спектра ценных элементов из техногенного массива с требуемыми фильтрационными характеристиками, сформированного на основе окомкования текущих отходов обогащения и извести с соотношением по массе 95:5. Реализация технологии переработки отходов из расчета годовой производительности фабрики по руде 200 тыс. т. всех текущих и 300 тыс. т лежалых позволит получить комбинату годовой эффект в размере 200,9 млн. руб (в ценах 2006 года).