Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 . Геолого-экономическое обоснование значимостиминералого-технологических исследований титан-циркониевых россыпей россии 8
1.1. Промышленная значимость титан-циркониевых россыпей 8
1.2. Краткая характеристика россыпных титан-циркониевых месторождений России 16
1.3. Роль технолопіи переработки рудных песков титан-циркониевых россыпей в экономической эффективности их освоения 23
1.4. Современные технологии добычи и обогащения россыпей 31
Глава 2. Исследование вещественного состава титан- циркониевых россыпей россии 40
2.1. Рациональный комплекс минералого-аналитических методов исследований вещественного состава титан-циркониевых россыпей. 40
2.2. Характеристика вещественного состава титан-циркониевых россыпей России 46
2.2.1. Химический состав исходных песков 46
2.2.2. Гранулометрические характеристики исходных песков 48
2.2.3. Минеральный состав исходных песков 51
2.2.4. Свойства минералов 52
2.3. Сравнительный анализ вещественного состава россыпных титан циркониевых месторождений России 65
Глава 3. Оценка и прогноз технологических свойств титан- циркониевых рудных несков 84
3.1. Зависимость технологических свойств от специфики вещественного состава титан-циркониевых россыпей 86
3.1.1. Влияние особенностей вещественного состава на извлечение рудшлх 86 минералов в концентраты
3.1.2. Влияние особенностей вещественного состава на качество концентратов 97
3.2. Прогнозная оценка обогатимости россыпных месторождений России 101
3.3. Апробация разработанных критериев прогноза технологических свойств титан-циркониевых россыпей па объектах геолого-разведочиых работ Ставропольского рассыпного района 108
3.4. Рекомендации по изучению вещественного состава титан-циркониевых россыпей на ранних стадиях геологоразведочных работ 114
Заключение 120
Литература 122
- Краткая характеристика россыпных титан-циркониевых месторождений России
- Современные технологии добычи и обогащения россыпей
- Гранулометрические характеристики исходных песков
- Влияние особенностей вещественного состава на качество концентратов
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие теоретических и методологических основ геохимии ландшафтов предполагает все более широкое использование точных количественных методов и моделей для описания поведения и трансформации химических элементов в ландшафтах. Актуальность этого направления определяется ролью математических моделей как средства, концентрирующего результаты научных исследований. Отраженные в моделях закономерности миграции и трансформации веществ в ландшафтно-геохимических системах (ЛГС) получают всестороннюю проверку и таким образом облегчают планирование будущих исследований, придавая им максимальную целенаправленность и вскрывая теоретические пробелы.
При увеличении масштабов хозяйственной деятельности и антропогенного воздействия на ландшафты на первый план выходят задачи, требующие объединения различных моделей для контроля качества окружающей среды. Комплексные модели позволяют описать перемещение, накопление, химические взаимодействия и распад различных загрязняющих веществ и таким образом проследить их судьбу в компонентах ландшафта.
Необходимость в такого рода моделях обусловлена тем, что геохимическая нагрузка за последние десятилетия возросла на несколько порядков (Schnoor, 1996; Водяницкий, Добровольский, 1998). Постоянно используется 60 тыс. искусственных веществ, список которых ежегодно пополняют 1000-1500 новых. Проследить судьбу этих соединений в ландшафтах путем организации наблюдений очень сложно, так как их слишком много. Более перспективным подходом к прогнозированию поведения ТМ представляется математическое моделирование.
Количественное изучение условий, форм и интенсивности миграции и трансформации разнообразных химических веществ в ландшафтах привело к попыткам создания математических моделей, в той или иной степени отражающих теоретические представления и наблюдаемые особенности поведения элементов в почвах, поверхностных и подземных водах зоны гипергенеза (Козловский, Корнблюм, 1972; Пачепский, 1976, 1990; Гильманов, 1978; Сысуев, 1986, 2003; Рыжова, 1987, 1992; Козловский, 1991; De Vries et al., 1991, 1997; Parton, 1996; Назаров и др., 1999, 2001; Крайнов, 1999 и многие др.).
Методологической базой исследований миграционных процессов является системная концепция Б.Б. Полынова о структурообразующем значении потоков вещества в геохимических ландшафтах. Водным потокам в большинстве природных зон принадлежит ведущая роль: вода является носителем многих веществ и той средой, где протекают разнообразные физико-химические и биологические процессы их трансформации. Поэтому для нынешнего этапа развития математического моделирования миграционных процессов характерны поиски наиболее адекватных и эффективных способов формализации и интеграции геохимических знаний в модели массопереноса (Schnoor, 1996). Основой для интеграции являются модели гидрологического цикла, описывающие взаимодействие водных объектов с природными комплексами и влияние различных природных факторов и структур на интенсивность процессов миграции (Linsley, Crawford, 1960; Jonch-Clausen, 1979; Кучмент и др., 1983; Назаров и др., 1988, 1996, Кондратьев, 1992; Ландшафтно-гидрологический анализ..., 1992; Корытный, 2001).
Таким образом, к настоящему времени в геохимии ландшафтов сложились предпосылки для развития количественной теории ландшафтно-геохимических процессов. М.А. Глазовской (1964) проведена типизация геохимических сопряжений в местных ландшафтах, для большинства из которых водная миграция является преобладающей формой. На основе этой типизации появилась возможность на следующем этапе исследований описать эти концептуальные схемы в виде математических соотношений между изучаемыми показателями и процессами и таким образом формализовать геохимические знания о строении и связях в ЛГС, осуществляемых водными потоками. Не менее важна разработка моделей, описывающих геохимическую нагрузку водных потоков, а также их физико-химические превращения и биологическую миграцию в различных ландшафтных условиях. Этой проблеме и посвящена диссертационная работа.
Цель работы - разработать, теоретически обосновать и практически использовать систему математических моделей, отражающих процессы движения воды, миграцию и трансформацию солей и тяжелых металлов в элементарных и каскадных ЛГС локального уровня. Для этого решались следующие задачи:
1. Провести классификацию моделей миграции и трансформации вещества в ландшафтах с учетом структуры ЛГС, природы ландшафтно-геохимических процессов и свойств участвующих в них веществ.
2. Теоретически обобщить накопленный опыт разработки и применения математических моделей для описания миграционных процессов в ЛГС, сформулировать принципы построения и реализации комплексных моделей.
3. Разработать математические модели миграции поверхностных и подземных вод в элементарных и каскадных ЛГС локального уровня, описывающие геохимические сопряжения в ландшафтах с преобладанием химического стока. С помощью моделирования установить миграционную структуру ЛГС лесной зоны в естественных условиях и ее трансформацию под воздействием антропогенных факторов.
4. Построить комплексные модели влаго- и солепереноса в ЛГС степной зоны; путем численных экспериментов с моделями обосновать оптимальный вариант использования водных и земельных ресурсов.
5. Разработать математические модели поведения тяжелых металлов и использовать их для оценки скоростей миграции и аккумуляции металлов в природных и агроландшафтах.
Методология исследований. Поставленные задачи решались на основе методов прикладного системного анализа, в которых неоднородность ландшафтной сферы представлена иерархической системой геохимических ландшафтов: элементарными ЛГС, катенами и каскадными ЛГС (Глазовская, 1981, 1988). Пространственно-временные масштабы рассмотрения миграционных процессов выбирались на основе принципа соответствия размеров элементарных объемов осреднения и характерных времен. Существующее в природе разнообразие структур и свойств ЛГС сводилось к нескольким логически согласованным понятиям системного анализа, что обеспечило возможность применения единых принципов построения их математических моделей.
При разработке моделей миграционных процессов учитывалось строение ЛГС, свойства мигрирующих веществ, условия и факторы внешней среды. Деление системы на элементы проводилось с учетом тех различий в рельефе, почвах, растительности и землепользовании, которые реально влияют на интенсивность миграции и трансформации веществ. Способ реализации моделей определялся их принадлежностью к одной из четырех групп, каждая из которых имеет собственный математический аппарат. Это модели отдельных фаз водного цикла; транспортные модели; термодинамические и кинетические модели; модели биологической миграции. В зависимости от объема, детальности и точности имеющейся информации и степени изученности рассматриваемый процесс описывался эмпирической, балансовой или механистической (физико-математической) моделью.
Комплексные модели миграции и трансформации вещества в ЛГС строились из отдельных модулей с последующим их объединением. Способ объединения зависел от характера взаимосвязи между отдельными процессами и соотношения их пространственно-временных масштабов.
Входные метеорологические условия характеризовались искусственными рядами с заданными статистическими свойствами. Расчеты по ним позволили получить динамические характеристики моделируемых процессов, достаточные для статистического обобщения за многолетний период и оценки экологического риска при осуществлении различных природопользовательских проектов.
Объекты исследования и исходные материалы. Для реализации моделей были выбраны хорошо изученные объекты, по которым накоплен значительный фактический материал. В пределах лесной зоны моделировался водный цикл бассейна р. Медвенки, левого притока р. Москвы, на территории которого расположена Подмосковная воднобалансовая станция. Часть параметров была определена по данным многолетних наблюдений Истринского опорного пункта ВНИИЛМ, а также Проблемной лаборатории охраны геологической среды МГУ и ПГО "Центргеология", в которых автор принимала участие в 1982-1985 гг.
Модель водного и солевого режима оросительной системы в степной зоне реализована для Явкинской (Николаевская область) и Нижне-Днестровской (Одесская область) оросительных систем, по которым имелись результаты проектных изысканий Укрюжгипроводхода (г. Одесса) и данные наблюдений Причерноморской геологоразведочной мелиоративной экспедиции и Одесской гидромелиоративной экспедиции за 1970-1988 гг. Параметры и входные функции модели формирования качества воды в причерноморском лимане Сасык определены по материалам полевых изысканий института Укрюжгипроводхоз.
Исследования миграции и трансформации тяжелых металлов проводились на территории Московской и Калужской областей. Моделирование подвижности тяжелых металлов в почвах Смоленско-Московской возвышенности основано на материалах, собранных О.А. Самоновой и В.Б. Вагнером на территории Сатинского научно-учебного полигона МГУ в 1991-1995 гг. Для реализации балансовой модели круговорота тяжелых металлов в агроландшафтах использованы материалы полевых опытов Центральной опытной станции ВНИИ удобрений и агропочвоведения, проводимых Н.А. и И.Н. Черных, а также литературные данные.
Научная новизна. Разработаны теоретические основы моделирования и комплексные математические модели биогеохимических циклов, с помощью которых получены оценки и прогнозы миграционных процессов в элементарных и каскадных ЛГС локального уровня. Основные результаты работы, которые автор квалифицирует как новое достижение в развитии математического моделирования, состоят в следующем.
1. Разработаны теоретико-методологические основы математического моделирования ландшафтно-геохимических процессов в ЛГС локального уровня, включающие - классификацию математических моделей миграции и трансформации вещества в ЛГС, учитывающую пространственную организацию ЛГС, характер процессов и свойства участвующих в них веществ;
- теоретическое обобщение опыта разработки и применения математических моделей для описания отдельных видов и форм миграции и трансформации вещества в ЛГС;
- принципы построения комплексных моделей;
- статистические свойства и способы определения некоторых функций, задаваемых на входе миграционных моделей.
2. На основе интеграции частных моделей ландшафтно-геохимических процессов созданы комплексные модели биогеохимических циклов:
- водного цикла в каскадной системе 1-го порядка лесной зоны;
- водного и солевого режима оросительной системы в степной зоне;
- формирования качества воды в водохранилище лиманного типа;
- биогеоценотического круговорота тяжелых металлов в агроландшафтах. Модели воспроизводят основные фазы движения водной составляющей и геохимической нагрузки миграционных потоков и учитывают вероятностный характер входных метеорологических процессов. С помощью моделей рассчитаны параметры миграционных потоков в ЛГС, получить которые в натурных условиях обычно не представляется возможным.
3. Путем моделирования водного цикла в геохимических сопряжениях с преобладанием химического стока определена миграционная структура ЛГС в степной и лесной зонах и ее изменение под влиянием хозяйственной деятельности. Рассчитана динамика уровней воды и водообмен между плесами водохранилища лиманного типа с водно-поверхностным циркуляционным типом геохимических сопряжений в аквалышх ландшафтах.
4. На основе моделирования миграции поровых растворов и их взаимодействия с твердой фазой и почвенным воздухом получен вероятностный прогноз процессов засоления-рассоления автономных и подчиненных агроландшафтов юга черноземной зоны при орошении. Для этого же района на основе модели солевого режима установлены закономерности формирования химического состава и минерализации воды в вдхр. Сасык в зависимости от притока пресных речных и минерализованных подземных вод, водозабора на орошение и внутреннего водообмена между плесами.
5. Путем построения и исследования статистических моделей выявлены провинциальные особенности поведения тяжелых металлов в фоновых почвах Смоленско-Московской возвышенности и в агроландшафтах юга Московской области. Установлена значимость почвенно- и ландшафтно-геохимических факторов и условий, контролирующих миграционную способность тяжелых металлов. Определены скорость аккумуляции металлов в почвах агроландшафтов и время, за которое содержание металлов удвоится или достигнет ПДК.
Личный вклад автора. В диссертации изложены результаты многолетних прикладных и теоретических работ автора в области математического моделирования. Автор принимала участие в полевых и экспериментальных исследованиях, положенных в основу динамико-стохастической модели формирования поверхностного и подземного стока в бассейне р. Москвы. Ею проведена обработка натурных данных, калибровка и верификация всех моделей, в том числе с помощью процедуры, разработанной для определения инфильтрационного питания подземных вод. Автором были написаны и отлажены все основные компьютерные программы, реализующие представленные в работе модели. При этом в комплексных моделях ею были разработаны блоки, связанные с описанием погодных условий, поверхностного стока, движения в русле, биологической миграции и трансформации тяжелых металлов, а также с функционированием оросительных систем. Автором были выполнены все расчеты по моделям, последующий анализ и интерпретация полученных результатов моделирования. Она также участвовала во внедрении результатов исследований.
Практическая значимость работы состоит в том, в ней разработана методология моделирования миграционных потоков в ЛГС, которая позволяет осуществлять количественный расчет и прогнозировать движение воды и водных мигрантов в ландшафтах разных природных зон. Представленные модели, алгоритмы и программы могут быть использованы для регулирования водного и солевого режимов почв и других компонентов ландшафта, для экологической оценки последствий различных хозяйственных мероприятий и минимизации негативных последствий их реализации, для выбора оптимальных вариантов природопользования и охраны окружающей среды, для определения тенденций развития ЛГС в условиях глобального изменения климата.
Результаты моделирования были использованы в проектных разработках Нижне-Днестровской и Явкинской оросительных систем на юге Украины (проектирующий институт Укрюжгипроводхоз). Компьютерная программа, реализующая динамическую модель формирования поверхностного и подземного стока, использовалась при создании постоянно действующей модели геологической среды зоны влияния Московского градопромышленного комплекса. Результаты исследований отражены в базе данных по состоянию территориально-аквальных комплексов малых и средних рек Московского региона (Per. свид. №7782 в Государственном регистре баз данных «Информрегистр»).
Основные направления исследования были поддержаны Государственной программой "Экологическая безопасность России" (1993-1995), Международным фондом Сороса (1994-1996), Российским фондом фундаментальных исследований (1999-2001), Федеральной программой "Университеты России - фундаментальные исследования".
Материалы диссертации нашли отражение в курсе лекций "Основы математического моделирования" для аспирантов ВНИИ удобрений и агропочвоведения (1989-1992) и используются автором при чтении курсов "Моделирование почвенных и ландшафтно-геохимических процессов" и "Математические методы обработки ландшафтно-геохимической информации" на географическом факультете МГУ. Разработанные в ходе исследования теоретические и методические вопросы вошли в учебное пособие "Моделирование почвенных и ландшафтно-геохимических процессов" (1997).
Автор выражает глубокую признательность научному консультанту данной работы члену-корреспонденту РАН профессору Н.С. Касимову. Автор искренне благодарен за ценные советы, поддержку и критические замечания профессору М.А. Глазовской. Автор признателен коллегам, во взаимодействии с которыми в разные годы проводились исследования, нашедшие отражение в диссертации: Н.И. Алексеев-скому, В.Б. Вагнеру, М.И. Герасимовой, Д.Л. Голованову, В.А. Жуку, И.Ф. Комиссаровой, В.Ф. Ладонину, С.Н. Лебедеву, Е.М. Мироновой, В.Н. Михайлову, Н.А. Назарову, А.И. Новикову, И.С. Пашковскому, Т.Ф. Прилепиной, О.А. Самоновой, И.Л. Храновичу, И.Н. Черных, Н.А. Черных, Е.В. Шеину, В.П. Яковлеву.
Краткая характеристика россыпных титан-циркониевых месторождений России
На территории России широко распространены формации погребенных иалеорос-сыией ирибрежно-морского генезиса, приуроченные в основном к трем провинциям: Восточно-Европейской, Западно-Сибирской и Северо-Кавказской (Скифской) [22; 27, 30, 31, 78]. Они включают десятки объектов, но в настоящей работе из них рассматриваются наиболее перспективные для освоения, по большинству из которых автором диссертации проводились самостоятельные минералого-технологические исследования. В качестве разрабатываемого аналога характеризуется единственное эксплуатируемое Малышевское месторождение на Украине (табл.1). Бешпагирское месторождение находится в Грачевском районе Ставропольского края, в 40 км восточнее г. Ставрополя, в экономически благоприятном районе с развитой инфраструктурой, в непосредственной близости от железной дороги Ставрополь-Элиста. Лицензия на разведку с последующей добычей была выдана в 1997 г. ГГП «Севкавгеология»; в настоящее время месторождением владеет ЗАО «Итера». Месторождение изучалось в начале 60-х гг. по редкой сети колонковых скважин 800x2800 м со сгущением на отдельных участках - 800x1400 м. В 90-е гг. на месторождении велись работы Кольцовской экспедицией и ВИМСом, но они были свернуты из-за отсутствия финансирования. В последние годы работы проводились ГГП «Севкавгеология», по их результатам оценены прогнозные ресурсы Р] в количестве свыше 4 млн.т оксида титана и 1 млн.т циркона. Месторождение приурочено к склонам Ставропольской возвышенности, где в отложениях среднего сармата (миоцен) выявлена пластообразная, почти горизонтальная залежь кварцевых мелкозернистых песков с цирконом, рутилом, ильменитом [19, 88]. Залежь продуктивных песков, имеющая длину 7 км при средней мощности 4,8 м, перекрывается и подстилается сарматскими мелкозернистыми песками с прослоями и линзами песчаников. С поверхности, под почвенным слоем, пески перекрыты маломощными покровными суглинками верхнесарматского времени 1-почвенный слой и покровные суглинки (Sm3); 2-разрушенный песчаник (Sm2st); 3-мелкозернистый песок (Sm2st); 4-песчаник; 5-мелкозернистый песок с остатками фауны (Sm2st); 6-продуктивный пласт с содержанием полезных минералов менее 50 кг/м3; 7-продуктивный пласт с содержанием полезных минералов более 50 кг/м ; 8-глины (Sm2cr). Основная часть прогнозных ресурсов приурочена в верхнему пласту продуктивной залежи, имеющему мощность 1-19 м, в среднем 4,8 м, и залегающему на глубинах 1-25 м, в среднем 19 м. Ниже его на глубинах 34-45 м выделяется нижний продуктивный горизонт. Между ними находится водоносный горизонт, так что при отработке карьером верхнего пласта осушение его не потребуется. Освоение нижнего продуктивного пласта возможно способом СГД. Пески мелкозернистые, хорошо сортированные (в основном -0,14+0,074 мм). Предполагается открытая отработка карьером без водоотлива. Месторождение нуждается в доразведке и доизучении технологии обогащения песков. Существует проблема снабжения обогатительной фабрики водой.
Центральное месторождение находится в Тамбовской области, в 60 км к востоку от г. Тамбова. Месторождение лицензировано в 1994 г ОАО «ЦНА-1». Промышленная концентрация основных рудных минералов (ильменита, рутила, циркона) приурочена к мелкозернистым кварц-глауконитовым пескам сеноманского возраста, где выделяется почти горизонтальный пласт средней мощностью 6,5 м (от 1-2 до 15 м). Рудный пласт перекрывается маломощным горизонтом фосфоритовых руд (2, 3 м), который частично располагается в верхней части самого продуктивного пласта
Мощность фосфоритового горизонта в сеноманских рудных отложениях - около 1 м. Кровля рудного пласта практически ограничивается фосфоритовым горизонтом, а положение подошвы устанавливается по данным опробования. Глубина залегания рудного пласта составляет в среднем 13 м (от 3,5 до 22,0 м). Сплошность пласта по площади нарушается современными и древними речными долинами, в связи с чем месторождение разделяется на 3 участка: Левобережный (Западный), Правобережный (Восточный) и Южный. Расстояние между участками 1 - 3 км. Правобережный участок является наиболее разведанным и изученным. Длина его около 7 км, ширина 5 км. В нем заключено около 80% всех запасов месторождения категорий A+B+Q. В северо-западной части участка выделена площадь около 745 га, имеющая достаточные для проектирования крупного ГОКа запасы (40 - 50 млн. м3), высокие концентрации полезных компонентов при средней мощности россыпи 6,1 м и необходимую удаленность от населенных пунктов, дорог и рек. Фосфоритовые руды вскрыши состоят из кварца, нолевого шпата, рутила, ильменита, граната и других минералов, сцементированных фосфорито-глинистым цементом, и представляют промышленный интерес [8, 45, 89].
Лукоиповскос месторождение находится в Нижегородской обл., в 20 км от ж.-д. станции Лукояново. Лицензия на разведку с последующей добычей выдана в 1993 г. ТОО «Геостар». В настоящее время ведется предпроектная подготовка к освоению месторождения. Предварительная разведка проводилась в 1981-1989 гг., запасы утверждены в 1995 г. Лукояновский россыпной район локализуется на севере юрского бассейна в Ульяновско-Саратовской синеклизе. Залежи располагаются в широтной полосе 70x30 км в северо-восточном обрамлении Токмаковского свода. Продуктивные батскис пески мощностью 2-12 м залегают на глубине 0-70 м на эродированной поверхности пермских осадков и перекрываются осадками юры, мела и четвертичного возраста [19, 78]. Все россыпи, хотя бы частично, размыты и выходят на поверхность в долинах современных рек. Самые мощные (8-10 м) и богатые россыпи приурочены к крыльям положительных локальных структур. Это полевошпат-кварцевые хорошо отмытые тонко-и мелкозернистые пески с возрастанием глинистой составляющей к низам разреза. Минеральная ассоциация специфична: циркон-ильмеиит-хромит-эпидот с примесью магнетита и гематита. Подстилающие терригенные отложения нерми также обогащены хромитом и окислами железа. Наиболее крупная и богатая россыпь Лукояновского месторождения - Итмаиовская - имеет форму линейной залежи, вытянутой в В-ЮВ направлении на протяжении до 30 км при ширине до 8 км. Запасы подсчитаны в контуре 6,5x1,5 км при мощности 1-15 м (средняя - 4 м) и глубине залегания 5-10 м до 42 м (в среднем 25 м).
Современные технологии добычи и обогащения россыпей
Добыча. Современные прибрежно-морские россыпи за рубежом разрабатываются, как правило, высокопроизводительными крупнотоннажными драгами [106]. Например, на 5 участке месторождения Ричардс-Бэй в ЮАР действуют две драги и плавучая фабрика мокрого обогащения производительностью 4500 т песков в час. На плавучей фабрике получают мокрый концентрат, который складируют на берегу и в дальнейшем перерабатывают сухой сепарацией. Оставшийся песок возвращают на место выемки. Установки по добыче и обогащению песков постоянно улучшаются и автоматизируются в соответствии с задачей более полного использования ресурсов и сохранения окружающей среды [ИЗ]. Это позволяет добиться высокой производительности на отдельных месторождениях.
Древние россыпи, залегающие на террасах и имеющие небольшую мощность вскрыши, могут разрабатываться с помощью плавучего землесосного снаряда, что реализуется на многих месторождениях, разрабатываемых в шт.Флорида в США [92]. Например, на месторождении Джексонвилль действует снаряд производительностью 400 т/час, или около 8 тыс.т в сутки. Предприятия по добыче песков на месторождениях Трейл-Ридж и Хайленд имеют мощность до 25 тыс.т песков в сутки.
На территории СНГ эксплуатируемые погребенные титан-циркониевые россыпи — Малышевское месторождение на Украине и Южно-Александровский участок Туганского месторождения в Томской области - разрабатываются карьерами. На Малышевском месторождении, где добычу ведет Волыюгорский государственный горно-металлургический комбинат (ВДГМК), верхние горизонты отрабатываются вскрышными комплексами машин непрерывного действия: роторных экскаваторов производительностью 5000-6600 м3/час, системой конвейеров и отвалообразователей. Добыча рудных песков производится с применением шагающих и роторных экскаваторов. По системе гидротранспорта пески транспортируются на обогатительное производство [24].
Согласно данным ТЭО и ТЭР карьером предполагается отрабатывать и ряд других месторождений Русской платформы, например, Центральное, Лукояновское, Бешиагирское. Однако, для подавляющего большинства россыпей Западной Сибири характерна большая глубина залегания продуктивного пласта - до 180 м, что делает их отработку карьером нерентабельной. Поэтому на таких месторождениях активно проводятся исследования по использованию метода скважинной гидродобычи (СГД).Впервые способ СГД был предложен в 1932 г. Э. Клайтором в США и в 1936 гП.М. Тупицыным в СССР. Однако разработка технологии СГД в США была начата лишьспустя 30 лет. В 1964 г. сотрудниками ГИГХСа во главе с В.Ж-Аренсом этот метод былприменен на месторождениях фосфоритов в Прибалтике. В 70-х годах группасотрудников МГРИ (Н.И. Бабичев, Д.П. Лобанов и др.) начала разработку технологии итехнических средств СГД на месторождении урано-фосфоритовых руд. В начале 90-хгодов список полезных ископаемых, на месторождениях которых были проведеныопытные работы способом СГД, расширился: положительные результаты были полученына месторождениях россыпного золота, алмазов, титан-циркониевых россыпей, железныхруд [4, 94, 95, 97, 98]. Однако сегодня по ряду экономических и организационных причин промышленная технология разработки месторождений твердых полезных ископаемых способом СГД пока ещё не создана.К несомненным преимуществам способа скважинной гсотехнолопш добычи полезных ископаемых можно отнести [86]: относительно низкий общий объем капитальных вложений (в 2—10 раз меньше, чем в строительство карьеров и шахт); небольшой срок строительства предприятия (1 — 3 года); сравнительно быстрая окупаемость капитальных вложений (2—3 года); высокое качество получаемой продукции, что в ряде случаев ие требует строительства традиционных обогатительных фабрик; высокая производительность труда; гибкость производства, объемы которого при прочих равных условиях можно изменять в широких пределах; возможность отрабатывать небольшие месторождения и месторождения, характеризующиеся чрезвычайно сложными (для традиционных способов добычи) горно геологическими условиями; возможность работы вахтовым способом ввиду незначительного числа людей, занятых на добычном комплексе (от десятков до первых сотен человек); относительно низкое негативное воздействие на окружающую среду; высокая безопасность добычных работ, так как люди не работают под землей. Проведенные к настоящему времени работы на Туганском, Георгиевском, Тарском месторождениях показали, что качество полученного продукта на рудниках СГД имеет существенное отличие от продуктов, получаемых при традиционных способах добычи [58, 63, 64, 65, 96]. Руда, частично или полностью дезинтегрированная, поднимается на поверхность в виде пульп при соотношении Т:Ж от 1:3 до 1:10-15, что позволяет сразу направлять ее на установки разделения, минуя цеха дробления и дезинтеграции. В про-цесесе СГД руды могут измельчаться, и самообогащаться. Это происходит не только в очистной камере, но и в процессе гидротранспортирования на поверхность, в пульповоде и на карте намыва [4, 5]. Содержание глинистой составляющей в иромпродукте уменьшается в 2—3 раза, что позволяет сократить затраты на обогащение рудных песков в 3 раза.
Несмотря на то, что получены положительные результаты при технологических испытаниях метода СГД на глубокозалегающих россыпных месторождениях России, добыча на них способом СГД не ведется. В качестве аргументов в создавшемся положении используются различные субъективные и объективные факторы, главным из
Современные технологии добычи и обогащения россыпей
Существенно более важны по сравнению с химическим составом гранулометрические характеристики песков, непосредственно влияющие на технологический процесс.Сравнение данных анализа гранулярного состава исходных песков российских месторождений показывает, что наиболее близкое к Малышевскому месторождению рас пределение песков по классам крупности имеют Бешпагирское и Центральное. Из месторождений Западной Сибири к ним приближается Туганское, хотя в нем существенно выше доля зерен, содержащаяся в мелком классе (18%). Наиболее тонкозернистые пески характерны для Тарского месторождения (табл.11, рис. 15).
В Бешиагирском и Ордынском месторождениях полезные компоненты концентрируется в более мелких классах но сравнению с исходными песками. Важное значение для оценки вещественного состава имеет также распределение по классам крупности вредных примесей: фосфора и хрома. 2.2.3. Минеральный состав исходных песков
К важнейшим факторам, определяющим технологические свойства россыпных руд, относятся их минеральный состав и его распределение по классам крупности. Как отмечалось выше, минераіьньїй состав отражает химический состав песков. Например, при повышенном содержании хрома и фосфора в минеральном составе отмечаются их собствен ные минералы. Данные по минеральному составу технологических проб российских месторождений приводятся в табл. 12 [120, 124-126, 128]. По большинству видов минералов в грубом приближении особо явных различий в минеральном составе россыпей не выявлено. Исключение составляют: обогащение несков Центрального месторождения глауконитом и фосфатными минералами и образованиями; обогащение песков Лукояновского месторождения хромитом її ильмено-гематитом; большая доля глинистых минералов и органики в Лукояноиском, Ордынском и Тарском месторождениях.
По данным анализа технологических проб не наблюдается серьезных систематических отличий и в содержании главных полезных минералов россыпей, за исключением относительно меньшего содержания рутила в россыпях Западной Сибири. 2.2.4. Свойства минералов
В данном разделе путем сравнительного анализа минералов главных российских россыпных месторождений исследуются их свойства, которые могут оказать влияние на прогноз обогатимости рудных песков: степень изменения, цвет, форма, размер, морфост-руктурные особенности, плотность, магнитная восприимчивость, химический состав и пр. По степени распространения и значимости автор классифицирует минералы титан-циркониевых россыпей следующим образом (табл. 13 ). А1. Главные промышленные минералы тяжелой фракции добываются из всех титан-циркониевых россыпей.
А2. Второстепенные промышленные минералы тяжелой фракции в россыпях добываются попутно в зарубежных странах ЛЗ и Л4. Второстепенные и редкие минералы тяжелой фракции пока не используются промышленностью. Однако, в разрабатываемых технологических схемах обогащения российских месторождений, их извлечение, за исключением монацита, предполагается в качестве попутных продуктов. Возможно, в России будут обнаружены россыпи с промышленной концентрацией монацита, подобные Ооновскому месторождению в Казахстане; Л5. К вредным примесям отнесены минералы, которые затрудняют технологический процесс обогащения россыпей и получения кондиционных промышленных концентратов. Б1. Кварц добывают из россыпей в случае наличия потребностей местных производств. Особый интерес представляют кварцевые пески, нригодшле для стекольного производства.
Влияние особенностей вещественного состава на качество концентратов
Основными товарными концентратами россыпных месторождений являются ильменитовый (ИК), рутиловый (РК) и цирконовый (ЦК). Их качество регламентируется в основном требованиями действующих ГОСТ ов, ОСТ ов и ТУ, разработанных в 1970-1980-годах применительно к качеству концентратов, производимых на ВГДМК. Большинство их, по-видимому, устарело, но разработка новых трудоемка и осуществляется лишь в исключительных случаях.
Требования к ильменитовому концентрату всех марок регламентируют содержание ТіОг, к концентрату марок КИИ, КИЛ, КИМ, кроме того - содержание Р2О5 и СГ2О3, а для сорта, пригодного для металлургической переработки, который выпускается на ВДГМК, - содержание SiC 2 и AI2O3. Содержание Zr02 и РегОз не нормируется (табл. 44).
Полностью непригодным в качестве титанового сырья по всем показателямявляется ильменит-хромит-гематитовый продукт Лукояновского месторождения, из рудкоторого, несмотря на многочисленные и разнообразные испытания не удалось выделитьильменитовый концентрат в чистом виде. Главная причина этого - близостьплотностных и магнитных свойств и крупности ильменита, хромита и гематита.Из данных таблицы 44 следует, что ильменитовые концентраты всех месторождений, включая и Малышевское, не достигает полного соответствия требованиям всех марок. По содержанию ТіОг не соответствует ни одной из марок только ильменитовый концентрат Ордынского месторождения (не считая Лукояновского), которое от всех других объектов отличается наиболее низким содержанием ТіОг в ильменитовый концентрат Ордынского месторождения (не считая Лукояновского), которое от всех других объектов отличается наиболее низким содержанием ТіОг в ильмените: 50,1% (ниже теоретического) по сравнению с 55% в Бешпагирском и Тарском и 61% в Центральном. В Тарской россыпи пониженное содержание оксида титана в ильменитовых концентратах связано с тем, что в нем содержится до 5% измененного титаномагнетита [86]. В ильмените Ордынского и Центрального месторождений отмечается высокое содержание оксида хрома, сужающее области его применения. В ильмените Тарского месторождения оно невысоко, однако в минеральном составе хромшпинелиды содержатся в значимом количестве, и отделить их от измененного ильменита не всегда удается. Отмечено также наличие микровключений хромита в ильмените. Примесями хромшпинелидов обусловлено и повышенное содержание АІ2О3, однако по его содержанию ильменит всех месторождений соответствует требованиям стандартов. Содержание фосфора в ильменитовых концентратах Центрального и Малышевского месторождений (0,3 и 0,1-0,2% Р2О5 соответственно) согласуется с данными химического состава ильменита, в ильменитах других месторождений фосфор не обнаружен.
В рутиловом концентрате регламентируется содержание ТІО2,, Zr02 , Si02, Р2О5, AI2O3, РегОз, SO3 (табл.45). В отличие от ильменитовых концентратов не лимитируется содержание СггОз, но нормируется по ГОСТ 6613-73 крупность зерен: остаток на сетке 0,315 мм.
В химическом составе рутила всех месторождений содержится 96-98% ТЮ2, и заниженное его содержание в Ордынском месторождениях можно объяснить только загрязнением концентрата другими минералами. Повышенное содержание фосфора - самая характерная особенность Центрального месторождения по сравнению с другими, рассматриваемыми в диссертации, что сказалось не качестве рутилового концентрата.Гранулометрический состав рутилового концентрата также соответствует предъявляемым требованиям - крупность зерен не превышает 0,1 мм, остаток на сетке 0,315 мм отсутствует.
Цирконовый концентрат по всем месторождениям не укладывается в рамки требований к качеству зернистого концентрата марки КЦЗ, однако пригоден к использованию как концентрат порошковый тонкозернистый - КЦГТТ, поскольку в последнем возможно содержание Zr02 не более 60%, чему отвечают концентраты всех месторождений, а остальные примеси не нормируются, за исключением радиоактивных элементов (табл. 46).
Низкое содержание Zr02 в концентрате объясняется его загрязнением посторонними примесями, скорее всего, рутилом или лейкоксеном, поскольку содержание Ті02 для тех же месторождений выше нормы. Превышение содержания Р205 и Fe203 в ЦК Центрального и Лукояновского месторождений - характерная особенность этих объектов, сказывающаяся и на качестве других концентратов. Высокое содержание А120з в цирконовом концентрате Лукояновского месторождения объясняется присутствием большого количества хромшпинелидов в минеральном составе.Общий недостаток цирконових концентратов, обуславливающий ихнесоответствие требованиям к качеству, - радиоактивность, вызванная как содержаниемурана и тория всамом цирконе, особенно в метамиктных его разновидностях, так изагрязнением концентрата радиоактивным монацитм. Особенно высокойрадиоактивностью отличаются концентраты Центрального и Тарского месторождений, в минеральном составе которых присутствует метамиктный циркон, а в нервом из них также монацит с аномально высоким содержанием тория.
По лимитируемым примесям для марки КЦЗ наилучшие позиции занимают цирконовые концентраты Беишагирского и Тарского месторождений (в Бешпагирском лишь несколько превышено содержание железа), наихудшие - цирконовые концентраты Центрального и Лукояновского.Гранулометрический состав цирконового концентрата всех объектов соответствует предъявляемым требованиям - остаток на сетке 0,315 мм отсутствует.Таким образом, наиболее важные характеристики, определяющие качество концентратов, это- содержание полезных компонентов в концентрате;- содержание вредных примесей в минеральном составе и в рудных минералах;- радиоактивность (циркон);- гранулометрический состав (рутил, циркон).
Как видно из вышесказанного в данном разделе, содержание вредных примесей возможно в двух формах: либо в форме высокого содержания вредного компонента в самом минерале, либо за счет примесей других минералов в концентрате с высоким содержанием лимитируемого компонента. Во втором случае возможна дальнейшая работа с концентратами с целью их очистки, В частности для очистки цирконового концентрата от радиоактивного монацита могут быть применены особые технологии, которые позволяют добиться снижения радиоактивности концентрата до приемлемого уровня..
Похожие диссертации на Математическое моделирование миграционных процессов в ландшафтно-геохимических системах
