Повышение эффективности разработки рудных месторождений с учетом взаимосвязи геоэкологических и технологических процессов

Актуальность работы.

Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами и сопутствующими им другими биологически активными элементами при разработке рудных месторождений возникает в результате их техногенной миграции, обусловленной комплексом интенсивных технологических воздействий на минеральную среду, и’последующими физико-химическими и биохимическими гипергенными процессами. Кроме того, при использовании так называемых физико-химических геотехнологий добычи, а также флотационных и химических способов обогащения руд в окружающую среду привносятся технологические реагенты, значительная часть которых обладает токсичными для биоты свойствами.

В области гидрогеохимии к настоящему времени получены существенные результаты в исследовании форм миграции элементов, их сорбции и десорбции, осаждения на геохимических барьерах и физико-химического взаимодействия с водной и минеральной средой. Вместе с тем, эти исследования были ориентированы только на изучение гидрогеохимических и экологических последствий технологических воздействий на минеральную среду.

Для разработки же экологозащитных мероприятий в горном производстве, направленных на снижение уровня загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами и реагентами, очевидно, необходимо знать не только гидрогеохимические последствия, но и технологические причины их миграционной активности.

Целенаправленных исследований взаимосвязи процессов техногенной миграции основных и сопутствующих рудообразующих элементов в окружающую среду с технологическими процессами добычи и переработки руд до настоящего времени не проводилось, что и определяет актуальность диссертационной работы.

Целью работы является научное обоснование путей снижения уровня загрязнения окружающей среды токсичными элементами и реагентами при разработке рудных месторождений на базе комплексных исследований взаимосвязи технологических процессов добычи и переработки природного и техногенного сырья с процессами миграции содержащихся в них металлов и повышения на этой основе эффективности разработки рудных месторождений.

В соответствии с этим в диссертационной работе решались следующие задачи:1. Анализ состояния изученности проблемы техногенной миграции элементов при разработке рудных месторождений и, прежде всего, ее физико-химических параметров.

2. Установление особенностей ассоциирования и форм нахождения основных и сопутствующих миграционно-активных рудообразующих элементов в рудах и ореолах рассеяния, являющихся потенциальными загрязнителями окружающей среды, для наиболее распространенных генетических типов рудных месторождений и выявление их основных закономерностей.

3. Исследование процессов техногенной миграцииосновных и сопутствующих элементов в кристаллической среде, поровых и микротрещинных водах, обусловленной взрывными и механическими воздействиями на руду и вмещающие породы.

4. Установление взаимосвязи техногенных форм миграции основных и сопутствующих элементов с технологическими параметрами добычи, переработки и складирования некондиционных руд и хвостов обогащения.

5. Теоретическое обоснование технологических решений, направленных на снижение уровня загрязнения окружающей среды металлами и реагентами, на основе использования физических и физико-химических методов активации миграционных процессов в кристаллической и водной среде и процессов сорбции при добыче и переработке.

6. Экспериментальная проверка эффективности предложенных технологических решений на лабораторном и полупромышленном уровне.

7. Обоснование показателей эколого-экономической оценки горнотехнологических решений и критерия выбора оптимального варианта добычи и переработки руд.

Исследования проводились на базе конкретных объектов — рудных месторождений различных формационных типов: медно-молибденового, молибден-вольфрамового, кварц-касситеритового, золото-кварцевого, золото-сульфидно-кварцевого.

Основная идея работы заключается в том, что повышение эффективности разработки рудных месторождений достигается за счет существенного уменьшения загрязнения окружающей среды токсичными элементами и технологическими реагентами на основе целенаправленного воздействия на процессы массопереноса и микроструктурных преобразований в добываемых рудах и перерабатываемых пульпах с учетом их взаимосвязи с миграционными процессами в окружающих массивах и техногенных объектах.

Основные защищаемые положения:1. Выявленные особенности поэтапной техногенной миграции в подземные и поверхностные воды химических элементов и ее различные формы (в составе шламов рудных минералов, в виде ионов и нейтральных соединений, сорбированных глинистыми, слюдяными минералами, углистым веществом и разрушенными технологическими сорбентами, в виде простых и комплексных ионов) позволяют определить направления совершенствования технологических процессов с позиций снижения отрицательных экологических последствий от разработки рудных месторождений.

2. Соотношения количества приведенного по времени и ценности конечного продукта и количества приведенных по токсичности элементов, мигрирующих в окружающую среду, позволяют определять в комплексе экологическую и экономическую эффективность технологических решенийпо разработке рудных месторождений и производных от них техногенных образований и могут служить основой критерия выбора оптимального варианта.

3. Установленные закономерности ассоциируемости в рудах и первичных ореолах рассеяния миграционно-активных основных и сопутствующих рудообразующих элементов определяют возможность прогнозирования элементного состава основных загрязнителей окружающей среды при разработке рудных месторождений и техногенных минеральных образований и, соответственно, позволяют произвести предварительную геоэкологическую оценку этих объектов. Отличительной особенностью данных закономерностей является наличие основных и локальных ассоциирующих групп элементов, генетически связанных с соответствующими типами интрузивных пород и производными от них метасоматитами и жильными структурами.

4. Образование непосредственно в водной фазе рудных пульп и технологических растворов высокоактивных экологически чистых ион-радикальных соединений кислорода и водорода, при использовании комплекса фотохимических и электрохимических процессов, позволяет обеспечить существенное снижение выхода загрязняющих окружающую среду реагентов, а также предопределяет последующее повышение извлечения как основных ценных компонентов, так и сопутствующих рудных элементов технологическими сорбентами.

5. Стадийная сорбция из пульп металлов с различным сродством к ионитам в сочетании с процессами электродиссоциации и электродиффузии ионов, извлечения их ионообменными смолами в прикатодных зонах, позволяет существенно снизить выход металлов в окружающую среду и повысить уровень извлечения ценных компонентов.

Научная новизна работы.

1. Установлены основные особенности и формы техногенной миграции металлов из различных источников: целиков, приконтурных неотработанныхучастков рудных тел, недовыпущенной разубоженной руды, отвалов, хвостохранилищ, рудного массива, подвергающегося взрывному воздействию, а также взаимосвязи загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами с технологическими процессами добычи и переработки. Предложены и обоснованы теоретические модели внутрикристаллических процессов миграции элементов во взаимосвязи с процессами активации поровых и конституционных вод при взрывном воздействии на рудные и вмещающие породные массивы, механическом дроблении и измельченииРУД2. Выявлены закономерности ассоциируемости основных и сопутствующих, изоморфно включенных в кристаллическую решетку, образующих структуры внедрения или микроминералы рудообразующих элементов, позволяющие прогнозировать и оценивать для каждого генетического типа рудных месторождений соответствующий химический состав поллютантов, мигрирующих с подземными и поверхностными водами в окружающую среду.

3. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена эффективность использования экологически чистого комплекса ион-радикальных пероксидно-гидроксидных соединений для выщелачивания металлов из руд и техногенного минерального сырья, продуцируемых непосредственно в жидкой фазе пульп, комплексом физических воздействий. Это позволило разработать промышленные методы повышения извлечения металлов при сорбционном выщелачивании и тем самым снижения уровня загрязнения окружающей среды реагентами и тяжелыми металлами.

4. Теоретически и экспериментально исследована возможность очистки сбрасываемых хвостов обогатительных фабрик и гидрометаллургических заводов от тяжелых металлов и других токсичных элементов и их соединений с использованием процессов предварительной сорбции элементов-примесей, электродесорбции их с природных минералов-сорбентов и последующей электросорбции специально подготовленнымиионитами. Эти исследования позволили разработать методы прибыльного доизвлечения из хвостовых пульп элементов, являющихся для окружающей среды поллютантами.

5. Научно обоснован новый комплексный показатель эколого-экономической оценки эффективности разработки месторождения, основанный на идее установления количественных соотношений металлов, извлеченных из руд и техногенных источников, с приведением по времени получения и их ценности и металлов, мигрирующих в окружающую среду с учетом их токсичности. Предложенный показатель позволяет определить относительный уровень загрязнения окружающей среды токсичными элементами в расчете на единицу произведенного конечного продукта. Обоснованы, на базе предложенного показателя, критерий и методика совместной оптимизации первичной и вторичной добычи и переработки руд и техногенных образований.

Обоснованность и достоверность научных положений обеспечивается значительным объемом экспериментальных исследований, корректным теоретическим обобщением их результатов и фактических эколого-геохимических, физико-химических и технологических данных, подтверждением результатов лабораторных и полупромышленных экспериментов в реальных производственных условиях.

Практическая значимость работы заключается в разработке комплекса экологически эффективных технологических схем выемки, усреднения, механической обработки руд, пульпоподготовки, складирования некондиционных руд, технологии переработки руд, сортировки, извлечения и доизвлечения металлов из жидкой фазы пульп и растворов. Предложены прогрессивные технологические варианты добычи и переработки руд и отходов горного производства для условий Тырныаузского ВМК, Хрустальненского ГОКа, месторождений Кокпатас (Узбекистан) и Yellow Jacket (Штат Невада, округ Кларк, США), обеспечивающие снижение уровнязагрязнения окружающей среды токсичными элементами и реагентами и повышение извлечения полезных компонентов.

Личный вклад автора состоит в постановке задач и их решении, разработке теоретической основы методов оценки процессов техногенной миграции металлов в окружающую среду при разработке рудных месторождений и обосновании технологических процессов, обеспечивающих существенное снижение загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами и реагентами, в проведении лабораторных и полупромышленных экспериментов по их реализации.

Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались на научных международных конференциях МГГРУ (19 921 995, 1997;2004 гг.), научных семинарах геологических факультетов МГУ, Университета Лас-Вегаса (1995, 1996 г.), Высшей Горной школы Денвера (1996 г.), технических советах проектного института СибЦветметНИИпроект (1984 г.), Тырныаузского ВМК (1985;1990 гг.), Хрустальненского ГОКа (1989, 1990 г.), Навоинского ГМК (1995, 1996, 1998;2000 гг.), Северного РУ НГМК (1995, 1998;2000, 2003;2004 гг.), ГМЗ-З НГМК (1996;2000 гг.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в отдельных разделах трех монографий, справочнике по открытым горным работам, 5 статьях и 11 тезисах конференций МГГУ и МГГРУ, а также отражены в 31 охранном документе (авторских свидетельствах СССР, патентах РФ и патенте США).

Объекты исследования. Техногенно-активированные миграционные процессы в минеральной и водной средах при взрывном, механическом и физико-химическом технологическом воздействии на массив, отбитую руду, рудные пульпы, отвалы и хвосты первичной переработки.

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 258 страницах машинописного текста, состоит из 5 глав, введения, заключения, списка литературы из 205 наименований, включает 17 таблиц, 19 рисунков, 9 приложений.

В главе 1 проведен анализ форм, стадий и масштабов техногенной миграции в окружающую водную среду реагентов и тяжелых металлов при разработке рудных месторождений. Проведен анализ изученности проблемы и обоснована ее актуальность.

Проанализированы источники техногенной миграции металлов, предложена их классификация. Обоснованы методические принципы оценки эколого-экономической эффективности принимаемых технологических решений и критерий выбора оптимального варианта технологии добычи и переработки.

В главе 2 приведены результаты теоретических исследований инициируемой взрывом и механическим воздействием техногенно-активированной миграции элементов-примесей в рудных и породных^массивах, произведена оценка роли в этих процессах поровых и конституционных вод, рассмотрены предлагаемые автором технологии добычи и обогащения руд, снижающие миграцию металлов в окружающую среду.

В главе 3 приводятся результаты теоретической оценки взаимосвязи состава мигрирующих элементов в минеральной и водной средах, закономерности их ассоциирования, формы нахождения и распределения в рудных телах и окружающем породном массиве, возможности прогнозирования элементного состава загрязнителей при разработке рудных месторождений.

Глава 4 содержит описание теоретических и экспериментальных работ по комплексной физической активации водной фазы рудных пульп и растворов реагентов, обеспечивающей снижение потерь металлов, расхода реагентов и загрязнения ими окружающей среды.

Глава 5 посвящена теоретическим исследованиям и экспериментам по доизвлечению металлов из сбросных хвостовых пульп на основе интенсификации процесса сорбции с использованием различных физических полей, оптимизации состава сорбентов с целью повышения их сорбционной емкости и селективности по присутствующим в технологических и сбросных растворах основным и сопутствующим элементам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе дано новое комплексное решение научной проблемы существенного снижения загрязнения окружающей среды токсичными химическими элементами и технологическими реагентами при освоении рудных месторождений, заключающееся в использовании комплекса управляемых фотои электрохимических воздействий на минеральную, водную и реагентную среды и технологические сорбенты с целью повышения извлечения полезных компонентов в конечный продукт и снижения масштабов техногенных миграционных процессов, что в совокупности повышает эффективность разработки рудных месторождений.

Решение данной проблемы осуществлено на основе: 1) широкого обобщения, анализа и оценки ранее выполненных исследований, технологических и технических разработок, а также практики разработки рудных месторождений в России и за рубежом- 2) проведения значительного объема экспериментальных исследований техногенных миграционных процессов- 3) теоретического обоснования показателей эколого-экономической оценки эффективности освоения природных и техногенных месторождений и направлений снижения загрязнения окружающей среды токсичными химическими элементами и технологическими реагентами.

Новизна решения этой крупной научно-технической проблемы заключается в получении лично соискателем следующих основных научных результатов:

1) систематизированы источники загрязнения окружающей среды при разработке рудных месторождений;

2) установлены формы и стадии техногенной миграции элементов-загрязнителей в окружающую среду при разработке рудных месторождений из нарушенных участков недр и формируемых техногенных минеральных образований;

3) установлено влияние технологических процессов добычи, подготовки к переработке и переработки руд на процессы миграции тяжелых металлов в зонах ведения горных работ и прилегающих участков недр, в отвалах и хвостохранилищах;

4) выявлены закономерности в ассоциируемости основных и сопутствующих рудных элементов в минеральной среде, являющихся загрязнителями для окружающей среды;

5) теоретически обоснованы системы показателей оценки техногенных миграционных процессов и эколого-экономической эффективности вариантов добычи и переработки минерального сырья из природных и техногенных источников и, соответственно, критерия выбора оптимального варианта;

6) теоретически обоснована и экспериментально подтверждена экологическая и экономическая эффективность использования нетоксичных для окружающей среды кислородно-водородных ион-радикальных соединений для извлечения основных и сопутствующих рудных элементов из природных и техногенных образований;

7) разработана теоретическая модель процессов электродесорбции элементов с природных минералов-сорбентов и активации процессов их сорбции технологическими сорбентами, правомерность которой подтверждена в лабораторных экспериментах и опытно-промышленных испытаниях.

Полученные научные и практические результаты позволяют сделать следующие основные выводы и рекомендации:

1) несмотря на многочисленные исследования, выполненные отечественными и зарубежными учеными в области геоэкологии и гидрогеохимии, слабо изученными остались вопросы взаимосвязи миграции в окружающую среду элементов-загрязнителей с параметрами основных технологических процессов добычи и переработки руд, формы техногенной миграции токсичных для окружающей среды элементов из нарушенных горными работами участков недр и техногенных образований;

2) выбор технологических схем добычи, рудоподготовки (включая усреднение и сортировку) и переработки руды для снижения экологических последствий от разработки месторождений должен осуществляться на основе оценки миграционных потерь основных и сопутствующих элементов в форме: а) образующихся при взрыве, дроблении и измельчении руд шламовых частиц сульфидных минераловб) сорбированных активированными в ходе технологических процессов природными минералами-сорбентами и разрушенными технологическими сорбентамив) растворенных в жидкой фазе пульп простых и комплексных ионов и нейтральных соединений;

3) эколого-экономическая оценка эффективности вариантов добычи и переработки должна производится на основе сопоставления количества металлов, извлеченных в конечные технологические продукты (с приведением их по прибыльности), с количеством сопутствующих элементов и технологических реагентов, мигрирующих в окружающую среду (с приведением их по токсичности);

4) прогнозирование элементного состава загрязнителей окружающей среды при проектировании возможно на основе установленных закономерностей ассоциирования основных и сопутствующих рудообразующих элементов, проявляющихся в наличии их генетических рядов с определенной кратностью зарядовых чисел;

5) существенное снижение миграции тяжелых металлов в окружающую среду в форме шламовых частиц может быть обеспечено на основе использования системы технологических мероприятий, включающих дифференцированное использование параметров БВР в соответствии с минералого-геохимическими и структурными параметрами массива, селективную выемку, дробление и предварительное раздельное усреднение типов руд по содержанию металлов, раздельное измельчение разнотипных руд в оптимальных режимах и последующее окончательное усреднение их в процессе пульпообразования для обогащения;

6) использование в технологических процессах сорбционного выщелачивания металлов из руд, концентратов и техногенного сырья высокоактивных нетоксичных для окружающей среды кислородно-водородных ион-радикальных соединений позволит существенно снизить расход и выход в окружающую среду опасных для биоты технологических реагентов и повысить показатели извлечения;

7) реализация технологических схем выщелачивания с двухстадийной сорбцией и контрольной электросорбцией позволяет обеспечить извлечение основной массы растворенных сопутствующих элементов, являющихся вредными примесями как для окружающей среды, так и для технологического процесса;

8) обеспечение минимального выхода токсичных элементов в окружающую среду в форме сорбированных активированными минералами-сорбентами ионов возможно реализовать за счет использования электрособционной технологии в голове сорбционного процесса и перед сбросом хвостовой пульпы.

Полученные научные результаты позволили предложить ряд технологических решений (защищенных авторскими свидетельствами СССР, патентами РФ и США), обеспечивающих повышение экологической и экономической эффективности разработки месторождений, в том числе способы доизвлечения из низко концентрированных растворов и сбросных пульп и выщелачивания из упорных, бедных руд и хвостов первичной переработкиа также обосновать способы эксплуатационной разведки, добычи, усреднения и обогащения, существенно снижающие соответствующие виды первичных потерь металлов и загрязнения ими окружающей среды.