Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ проблемы освоения россыпей. принципы и методы обоснования схем разработки. задачи исследований 10
1.1 Анализ состояния золотодобычи в России 10
1.2 Повышение эффективности разработки посредством организационно-структурных преобразований горных предприятий 19
1.3 Анализ рудоподготовительных операций в технологических схемах добычи и переработки золотоносных песков 21
1.4 Анализ способов подготовки песков в массиве месторождения 28
1.4.1 Условия образования россыпей 33
1.4.2 Типы россыпей 36
1.4.3 Строение россыпей .43
1.4.4 Распределение ценных минералов в россыпи 45
1.4.5 Анализ формирования концентраций в техногенных россыпях 48
1.5 Цели и задачи исследования 57
2 Определение технологического содержания понятия «геотехнологическая подготовка россыпного месторождения» и условия для ее осуществления 60
2.1 Тенденции изменения структуры комплекса технологий добычи и переработки минерального сырья.. 60
2.2 Относительная трудоемкость разработки россыпных месторождений... 65
2.3 Подготовка россыпных месторождений на основе принципа геотехнологического продолжения рудообразования 90
2.4 Выводы 96
3 Дезинтеграция песков 98
3.1 Дезинтеграция глинистых песков в массиве 98
3.1.1 Основные свойства связанной воды в глинистых грунтах 100
3.2 Методы дезинтеграции материала массива 105
3.3 Энергетическая оценка процесса дезинтеграции 109
3.3.1 Структура связей рыхлого массива 109
3.4 Основы акустической дезинтеграции 120
3.5 Экспериментальные исследования акустической технологии дезинтеграции 138
3.5.1 Планирование экспериментов и обработка результатов 138
3.5.2 Методика проведения экспериментальных исследований 142
3.6 Анализ и обработка результатов лабораторных исследований процесса дезинтеграции 153
3.6.1 Ударно-акустическая обработка 153
3.6.2 Струйно-акустическая обработка 180
3.7 Выводы 194
- Анализ рудоподготовительных операций в технологических схемах добычи и переработки золотоносных песков
- Анализ формирования концентраций в техногенных россыпях
- Подготовка россыпных месторождений на основе принципа геотехнологического продолжения рудообразования
- Планирование экспериментов и обработка результатов
Анализ рудоподготовительных операций в технологических схемах добычи и переработки золотоносных песков
Анализ опыта развития технологических схем разработки месторождений наряду с природными и техногенными закономерностями формирования россыпей позволил выявить основные структурные тенденции в комплексах технологии добычи и переработки минерального сырья[9]:
Объединение функций различных процессов. Предполагает первоначальное выделение технологического процесса с последующим объединением различных функций в одном малооперационном процессе. Перенос функций и методов. Предполагает частичное или полное использование операций одного процесса в другом. Выделение новых процессов. Предполагает создание новых процессов и выделение отдельных старых операций в используемых процессах в самостоятельные процессы.
Первая тенденция представляет собой наиболее общее направление развития техники и технологии разработки месторождений. При этом происходит разделение процесса на отдельные операции, а затем часть функций объединяется в одном процессе. Более показательно эта тенденция проявилась в технологических схемах отработки россыпных месторождений. Ярким примером может служить вариант дражной отработки. Техническим решением исключен энергоемкий транспортный процесс, что в итоге позволяет снизить значение минимально промышленного содержания россыпи в несколько раз. К этой тенденции также в полной мере относится технологии кучного и особенно подземного выщелачивания руд, при которых в процессе добычи происходит не только первичная, но и глубокая переработка сырья гидрометаллургическими методами.
Вторая тенденция распространена не столь широко как первая, но имеет не менее значимую эффективность технологических схем. Примером этого направления может служить циклично-поточная технология, где процесс дробления, характерный для первичной переработки полезных ископаемых, осуществляется при добыче.
Третья тенденция является менее явным, но более глубинным проявлением развития горной технологии. Сущность его заключается в стратегическом подходе управления всего горного производства. Наиболее ярким примером проявления третьей тенденции является обособление в отдельный процесс рудоподготовки, как комплекса способов и средств повышения качества добываемого полезного ископаемого.
На различных этапах развития горного дела структура производства претерпевала изменения. Часть вводимых мероприятий направлена на повышение производительности. К их числу можно отнести применение дражного способа разработки обводненных россыпей, внедрение поточного транспортирования горной массы, применение внутреннего отвалообразования, увеличение единичной мощности оборудования. Другая часть мероприятий направлена на снижение объемов переработки и повышения извлечения полезных компонентов. К ним относится рудоподготовительные процессы в структуре добычного (селективная выемка, нагрузки на забой и др.) и обогатительного (сепарация, усреднение и др.) комплексов.
Применение дражного способа разработки существенно снизило себестоимость разработки обводненных россыпей за счет высокой производительности выемки и исключения транспортного звена. Применение поточного транспорта повышает эффективность разработки более чем на 30%. Внедрение поточного транспорта на горнорудных карьерах позволило работать рентабельно даже при дроблении всего объема вскрышных пород.
Внутреннее отвалообразование обеспечивает снижение расстояние транспортирования вскрышных пород и, только за счет этого, общая эффективность отработки может быть повышена до 20%.
Рудоподготовительные операции вводятся в горное производство, когда качество исходных руд не удовлетворяет требованиям обогатительного передела. Рудоподготовка предназначена обеспечить требования к качеству (содержание полезных и вредных компонентов, колебаний качественных показателей) минерального сырья, подаваемого на переработку и, тем самым, обеспечить оптимальные условия обогатительного передела.
Существующий подход к технологии разработки россыпных месторождений не может оказывать влияние на такие параметры как содержание золота в песках, пространственное распределение металла, мощность торфов и песков.
По мере отработки россыпных месторождений, обладающих меньшей трудоемкостью разработки, в освоение вовлекаются все более сложные месторождения, имеющие более высокий показатель трудности. Эта тенденция характерна для всей горной отрасли. Статистика за тридцатилетний период свидетельствует о снижении среднего содержания золота в добываемых песках почти в три раза (с 2,8 до 1,06 г/мЗ), а для дражного способа разработки - в 1,6 раза (с 290 до 185 мг/мЗ). При этом, затраты на добычу золота на некоторых россыпных месторождениях превышают затраты при разведке месторождений [10, 11]. Для повышения эффективности разработки россыпей в условиях повышенной их трудоемкости необходимо решать комплекс проблем, связанный, главным образом, с повышением извлечения золота. Для традиционных технологических схем это возможно только за счет повышения качества песков перед обогащением, т.е. средствами рудоподготовки.
Низкое извлечение золота из глинистых золотоносных песков связано с неполной дезинтеграцией и основные рудоподготовительные мероприятия должны быть направлены на полное освобождение частиц золота от связей с глинистыми породами. Число вовлекаемых в отработку месторождений с повышенным содержанием глины в песках (14 - 60 %) неуклонно растет. В разных золотодобывающих регионах их доля неодинаковая (рис. 1.15.).
Несмотря на достаточную ясность проблемы рудоподготовки золотоносных песков, проблема подготовки посредством дезинтеграции является весьма сложной.
Исследования по способам дезинтеграции при подготовке песков россыпных месторождений отражены в работах А.Ю. Бейлина [12, 13], В.М. Волковой [14], В.И. Емельянова [15, 16], Ю.А. Захарова [17], А.А. Ковалева [18], Н.Н. Клочкова [19,20], В.И. Лега [21,19,20], Л.П. Мацуева [20], А.А. Матвеева [17, 22], В.П. Мязина [23,24,25], В.П. Неберы [25, 26], И.Н. Сташевского [19,27], Т.С. Потаповой [28, 29, 30, 31, 32, 33], В.Е. Кислякова [31, 32, 33, 34, 35], В.Н. Морозова [31, 32, 36], Т.В. Тумольской [37], М.М. Чубыкина [38], С.Н. Шорохова [7,39], В.Г. Ширман [ 13], и ряда других исследователей.
Исследования по разупрочнению глинистых пород путем их термической обработки выполнялись на предприятиях Кузбасса [40]. При этом исследовали возможность изменения физических свойств глинистых пород за счет удаления свободной и связанной воды путем их сушки.
Анализ формирования концентраций в техногенных россыпях
Отходы золотодобычи являются наиболее близкими объектами к повторной их переработке. Основными причинами этому служат достаточный уровень запасов и содержания металла в отходах обогащения. Отдельные зоны концентрации золота в эфельных отвалах превосходят содержания в исходных пеках. Причиной формирования подобных зон являются потери при извлечений и природные закономерности поведения частиц золота в водных потоках, приводящие к образованию концентрированных участков.
Результаты исследований по изучению техногенный россыпей приведены в работах К.Н. Трубецкого [85, 86], В.Н. Уманца [86, 87], Г.И. Шегай, Л.Ф.[88], Л.Ф. Нерклюна [89], Л.А. Барского [90], В.Т. Борисовича [91], Ю.А.Мамаева [92, 93, 94], B.C. Литвинцева [92, 95], В.А. Макарова [96, 97, 98, 99], О.В. Замятина [100, 101] и др. В классификации техногенных золотосодержащих объектов В.А. Макарова [99] выделены две группы - «литотехногенные» и «остаточные» (таблица 1.8.). Литотехногенные сформированы в результате переработки золотоносных руд и пород, отделенных от массива: техногенные россыпи, хвосты обогащения, отвалы забалансовых руд и вскрышных пород. К категории остаточных отнесены месторождения и их части, испытавшие техногенное воздействие в горном массиве - целики и вскрытые забалансовые руды, блоки подземного выщелачивания (природно-техногенные объекты по Г.В. Секисову [102]).
Доля полезного компонента, извлекаемого из золотоносных руд и песков, составляет менее 0,01%, все остальное - отходы производства, складируемые в отвалы и хвостохранилища. Последние существенно влияют на экологическую обстановку, поскольку процесс извлечения благородных металлов зачастую сопряжен с технологиями повышенной экологической опасности -цианированием, амальгамацией, высвобождением значительных количеств соединений серы и мышьяка.
Вместе с тем, в золотодобывающей отрасли одной из первых в горном комплексе стали рассматривать отходы горнометаллургического производства как источник сырья. Причиной тому послужило резкое сокращение легкодоступных запасов золота в коренных рудах и россыпях и, как следствие, снижение промышленных кондиций. Рост интереса промышленности к техногенному золотосодержащему минеральному сырью в последние два десятилетия во многом предопределился появлением новых технологий извлечения благородных металлов.
Ресурсный потенциал техногенных золотосодержащих объектов, расположенных на территории России, оценивается неоднозначно. Анализируя общую структуру запасов и ресурсов золота, Б.И. Беневольский отводит на долю техногенных объектов 7-12 % [3]. По его мнению, только прогнозные ресурсы техногенных россыпей составляют более 50 % от всего добытого в России золота [103]. Из других техногенных образований, кроме отвального комплекса собственно золоторудных месторождений, высоко оцениваются перспективы извлечения золота из отходов переработки руд черных и цветных металлов, отходов сернокислотного производства, некоторых видов нерудного сырья [104]. Многочисленные исследования показывают, что объекты вторичного золотосодержащего сырья не столько разнообразны по природе формирования, сколько по содержанию металла, масштабам накопления и экономической значимости. Данное обстоятельство выдвигает в разряд актуальных проблему всестороннего изучения такого сырья и, в первую очередь, решение таких задач, как выяснение условий и закономерностей формирования техногенных золотосодержащих объектов; классификацию объектов и выработку методических основ для геолого-технологического изучения и оценки.
Строение техногенных россыпей во многом определяется способом отработки. В строении и размещении отвального комплекса, сформированного мускульными отработками, отмечаются некоторые особенности. Валунные отвалы сложены хорошо отмытыми валунами и глыбами горных пород размером более 20-30 см без примеси мелкозернистого материала. Часто они формировались в виде насыпей округлой формы с плоской горизонтальной вершиной. Высота их достигает 3-4 метров. Известны валунные отвалы с размером глыб до 1-1,5 метров в диаметре (бассейн р. Тукша в Восточном Саяне). Размещаются они в непосредственной близости от очистных горных выработок - ям, разрезов, котлованов. Часто валуны выкладывались на дне разреза, либо вдоль стенок с целью укрепления последних. Иногда они использовались для строительства горнотехнических сооружений. Так, при отработке русловой россыпи р. Тукша валунами и глыбами вдоль русла выложена дамба высотой 1,5-2 м, с шириной основания около 2,5-3 м и протяженностью более 1000 метров.
Галечные отвалы, формируемые при мускульных отработках, имеют наибольшее распространение и лучше всего сохраняются при последующем изменении ландшафта. Сложены они обломочным аллювиальным материалом класса - 200+(10-15) мм и располагаются неподалеку от отвалов эфелей.
Мускульная отработка россыпей подземным способом велась в 2 вариантах - шурфами с рассечками, либо штольнями и ортами. Последние, зачастую, проходились из бортов разреза. В отработку вовлекались преимущественно наиболее обогащенные приплотиковые части пласта песков. Пораженные подземными выработками участки целиковой россыпи обычно вытянуты по "струе" пласта. Выработки, как правило, поддерживаются деревянной крепью и, в большинстве случаев, заполнены илисто-глинистыми фракциями либо заложены валунами. В областях развития многолетней мерзлоты подземные горные выработки нередко заполнены льдом [105].
Особенностью россыпей мускульного способа отработки является то, что вследствие бессистемности их эксплуатации, связанной с большим количеством недропользователей на одном объекте, вскрышные отвалы располагались вблизи выработок. При этом заваливались значительные участки россыпи, которые в настоящее время являются первоочередными при повторной отработке техногенных объектов данного типа. Потери золота в породах отвального комплекса при мускульных отработках, несмотря на примитивизм обогатительных устройств, были незначительные. Определенный интерес для повторной переработки могут представлять отвалы вскрыши и эфелей. Содержания металла в них, как правило, имеет промышленные значения. Техногенные россыпи гидравлического способа отработки образованы в результате широкого использования гидравлической отработки различных по запасам россыпей с мощностью рыхлых отложений до 12 м. Особенностью этого способа являлась массовая промывка всей толщи рыхлых отложений с использованием энергии воды. Это определило специфику строения техногенной россыпи, а именно: отсутствие отвала торфов, слабая зачистка плотика, плохое качество классификации материала, подаваемого на шлюз. И в результате отходы обогащения представляют практический интерес для повторной переработки песков вследствие низкого извлечением металла при высокой производительности промывки. Наиболее обогащенной частью являются хвосты промывки, при этом закономерности распределения потерянного золота в нем определяются способом их складирования -самотеком или с помощью гидромонитора. Другая часть россыпи данного типа, где наблюдаются повышенные концентрации золота - плотик. При этом наиболее привлекательными для повторной отработки являются техногенные россыпи со сланцевым и известняковым плотиком. В таком плотике золото проникает по трещинам на глубину 0,5-1,0 м, в отдельных случаях до 2,5-3,0 м. Кроме вышеназванных элементов (плотика и отвала эфелей), высокая концентрация золота формируется в ходе промывки песков непосредственно перед головной частью шлюза (понуро-шлюзовые установки), либо в зумпфе (гидроэлеваторные и землесосные установки). Как правило, это небольшой участок размером 3 х 5 м.
Подготовка россыпных месторождений на основе принципа геотехнологического продолжения рудообразования
Существующий путь развития комплекса технологий добычи и переработки полезных ископаемых является преимущественно экстенсивным, так как по мере снижения качества добываемых полезных ископаемых рост потребности в минеральном сырье компенсируется увеличением объемов извлекаемой и перерабатываемой горной массы. При этом существенное повышение эффективности процессов добычи и переработки минерального сырья в ближайшем будущем маловероятно.
В мировой практике затраты по различным технологическим процессам стабилизировались и длительное время находятся на относительно низком уровне. Например, текущие затраты на 1 тонну добываемой открытым способом горной массы изменяются от 1 до 2$. Затраты на переработку минерального сырья флотационными методами составляют 4-20 $/т, методами кучного выщелачивания — 4-5 $/т, методом жидкостной экстракции с электроосаждением (SX/EW)—1-2 $/т.
Для того чтобы повернуть в сторону интенсификации освоения недр и значительно повысить эффективность этой области деятельности; необходимы серьезные структурные преобразования всего комплекса процессов добычи и переработки минерального сырья.
Анализ изменения структуры комплекса технологии и переработки минерального сырья показывает, что структурные преобразования комплекса технологий осуществляются постоянно. Закономерности структурных преобразований технологических систем были отмечены академиком Н.П. Лаверовым [112]. Основными тенденциями являются: 1) объединение функций различных процессов; 2) частичный перенос функций и методов в направлении от конечных операций к начальным; 3) выделение новых процессов, обеспечивающих выполнение подготовительных функций для основных процессов.
Первая тенденция является проявлением общих закономерностей развития техники, связанных с первоначальным разделением технологического процесса на операции, а затем с объединением различных функций в одном малооперационном процессе. Примером проявления первой тенденции являются технологии кучного и особенно подземного выщелачивания руд, при которых в процессе добычи происходит не только первичная, но и глубокая переработка сырья гидрометаллургическими методами. ЦПТ может служить примером проявления второй тенденции, когда процесс дробления, характерный для первичной переработки полезных ископаемых, осуществляется при добыче [113]. Наиболее ярким примером проявления третьей тенденции является обособление в отдельный процесс рудоподготовки, как комплекса способов и средств повышения стабилизации качества руды . [114]. На рис. 2.1. показана схема переноса функций и операций, типичных для процессов переработки, на начальные стадии - в процессы добычи. Это объясняется тем, что многие процессы переработки более интенсивны. Основными эффектами структурных преобразований является сокращение объемов перерабатываемого материала, сроков переработки, интенсификации процессов и снижение ресурсоемкости. Эти эффекты структурных преобразований основаны на комбинировании процессов с различными скоростями обработки и удельными энергоемкостями. В таблице 2.1 показаны ориентировочные скорости различных процессов [115, 116, 117, 118, 119, 120, 121, 122]. Самой низкой скоростью характеризуются природные процессы образования месторождений.
Высота рабочего объема - геометрическая мера для характеристики объема материала, подвергаемого обработке (для горных работ, включая подготовительные операции). Коэффициент переноса - определяется как произведение скорости процесса на высоту рабочего объема. Энергоемкость - характеризует затраты различных видов энергии на формирование, добычу или переработку единицы объема полезного ископаемого. Удельная энергоемкость отражает эффективность процессов, а коэффициент переноса мерой его интенсивности. Несмотря на ориентировочность параметров, можно отметить резкое снижение интенсивности процессов при увеличении объемов материала, одновременно участвующих в процессе, принимая минимальные значения для процессов образования месторождений. Перенос методов и приемов, типичных для более интенсивных процессов переработки сырья, на начальные стадии комплекса технологий (процесс добычи) позволяет интенсифицировать добычу и переработку в целом. Однако существующие структурные преобразования Целью структурных преобразований является сокращение объемов обработки материала и интенсификация процессов переработки сырья для сокращения сроков разработки и объемов извлекаемой горной массы при традиционных процессах добычи полезных ископаемых. Это может быть достигнуто за счет создания в комплексе технологий дополнительной стадии - стадии подготовки месторождений к освоению и разработка соответствующих технологий. Под геотехнологической подготовкой месторождения понимается целенаправленное вещественное или структурное преобразование залежей полезных ископаемых и массивов вмещающих горных пород или изменение горнотехнических условий проведения горных работ для обеспечения эффективной и безопасной разработки месторождений и переработки минерального сырья современными и перспективными технологиями. Подготовку месторождения в целом можно производить до начала его разработки или отдельными частями в процессе разработки, в том числе на стадии горно-подготовительных работ. В то же время, следует отличать подготовку месторождения или его частей от горно-подготовительных работ (при открытом способе добычи) или от подготовки шахтных полей (при подземном способе добычи), целью которых является подготовка и воспроизводство фронта горных (очистных) работ по полезному ископаемому.
Планирование экспериментов и обработка результатов
Приведенная методика позволяет проводить оценку месторождений с точки зрения существующего уровня технического оснащения применяемых комплексов.и традиционных технологических схем разработки. Кроме того, она позволяет подвергать анализу отдельные процессы внутри технологической схемы и, тем самым, выявлять наиболее «узкие» места технологии. Так, на основе рассмотренного примера, который, кстати, отражает общее состояние технологии разработки россыпных месторождений, достаточно отчетливо показано весомое влияние таких параметров месторождения, как содержание золота, мощность торфов и песков, качественные характеристики исходных песков (уровень глинистости). Снижение содержания золота с 3 г/т до 0,7 г/т повышает показатель трудности разработки россыпей с 12 до 20, т.е. до предела рентабельной отработки. Изменение содержания глины в песках с содержанием золота в 1,5 г/т для традиционных технологических схем (рис. 1.12.) с 10 % до 70 % повышает показатель трудности разработки до 18 и ставит разработку месторождения на границу рентабельности, а для таких глинистых месторождений с более низким содержанием золота уровень рентабельности будет отрицательным.
Несмотря на отработку запасов наиболее богатых россыпей, для примера в Красноярском крае все еще имеются значительные разведанные ресурсы россыпного золота. Так разведанные запасы по категориям А+В составляют 1678 кг из них на охваченные лицензированием приходится 1028 кг, а на не охваченные лицензированием соответственно 650 кг. Разведанные запасы по категориям А+В+С1+С2 (общие балансовые) составляют 28260 кг, из них на охваченные лицензированием приходится 16852 кг, и соответственно на не охваченные лицензированием 11428 кг. К забалансовым отнесено 8452 кг [2]. Следует иметь ввиду то, что к разряду забалансовых отнесены запасы, отработка которых нецелесообразна в связи с отсутствием эффективной технологии разработки.
Традиционные технологические схемы не позволяют вести рентабельную эксплуатацию высокоглинистых россыпей, вследствие больших (60-70 %) потерь металла. Причинами столь высоких потерь является механическая связанность частиц глинистых фракций между собой. Данное явление свидетельствует о неудовлетворительном уровне подготовки извлекаемых песков, в частности о неэффективности операции их дезинтеграции. Потери металла представлены в виде частиц золота, связанных с глинистыми частицами или находятся внутри глинистых агрегатов. Так, только содержание глинистых окатышей в хвостах промывки достигает 34-46 % [3]. При содержании глины в забое до 25% потери металла достигают 17-20 % [134].
Геотехнологическое продолжение формирования месторождения моделирует естественный геологический процесс. Поэтому в общем случае оно включает следующие стадии: 1) дезинтеграцию массива с высвобождением рудных минералов из сростков с нерудными механическими (взрывом), гидрохимическими (растворением) или огневыми (плавлением массива) методами; 2) реструктуризацию массива, пространственное обособление рудного вещества механически или посредством транспортных реакций. Механизмы природных процессов формирования месторождений могут служить естественными прототипами и аналогами искусственных процессов полготовки месторождений. Некоторые аналоги для гипергенных и эндогенных процессов рудообразования приведены ниже. В течение длительного исторического периода удавалось находить богатые россыпные месторождения с небольшим содержанием глины, из которых металл получали исключительно путем горных работ и простой промывкой песков на шлюзе. К настоящему времени таких месторождений практически не осталось и добываемые пески перед обогащением подвергают глубокой подготовке путем дезинтеграции, классификации по крупности и гомогенизации пульпы с обеспечением Т:Ж, превышающем 1:15 при эбогащении на шлюзах. Энергоемкость процессов подготовки и обогащения песков сопоставима с энергоемкостью горных работ. Доля затрат на подготовку и обогащение песков для вовлечения в отработку все более трудно разрабатываемых месторождений будет возрастать. Основные затраты процесса подготовки песков связаны с дезинтеграцией исходного материала, т.е. с отделением частиц золота от вмещающих пород. Применяемые в настоящее время средства и методы дезинтеграции обеспечивают качественную подготовку песков при содержании глины до 20%. Повышение глинистости в исходных песках выше этого значения резко повышает затраты по подготовке и, зачастую, освоение такого месторождения становится нерентабельным.
Если на нерентабельные месторождения и рудопроявления взглянуть с точки зрения процесса природного россыпеобразования, то их можно рассматривать как геологически незавершенные и, при этом правомерна постановка вопроса о продолжении процесса формирования месторождения искусственными методами до технологически приемлемого уровня.
Учитывая, что понятие рентабельности отработки месторождения технологическое и напрямую зависит от параметров, применяемых технологических решений, то процесс продолжения формирования месторождения искусственными методами должен быть направлен на соответствие вновь создаваемых форм и фазового состава продуктивного пласта требованиям применяемой технологии. Прежде всего, это относится к наиболее важным параметрам, таким как величина общих запасов, мощность песков, содержанию металла, содержание глины, гранулометрический состав как песков, так и полезного компонента.
