Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изученности вопроса, цель и задачи исследований 9
1.1. Горно-геологическая характеристика и минералогопетрографические особенности руд Узельгинского и
1.2. Генетические условия формирования медно- колчеданных месторождений уральского типа 19
1.3. Промышленные требования к качеству медно-колчеданных руд...26
1.4. Процессы геохимической подготовки медно-колчеданных руд к промышленной разработке 35
1.5. Цель, задачи, методы и методики исследований 45
2. Исследование процессов природного формирования и техногенного преобразования медно-колчеданных руд 51
2.1. Исследование минералогических и структурно-текстурных особенностей колчеданных руд Узельгинского и Октябрьского месторождений 51
2.2. Изучение генетических процессов формирования рудных залежей и вторичного минералообразования 61
2.3. Оценка устойчивости соединений меди и железа в серосодержащих системах 67
2.4. Факторный анализ условий фазовых переходов медных минералов.78
3. Обоснование параметров процессов геохимической подготовки медноколчеданных месторождений к промышленной разработке
3.1. Оценка параметров фильтрационных процессов 87
3.2. Факторный анализ выщелачивания меди из медно-колчеданных РУД 95
3.3. Изучение закономерностей формирования геохимических барьеров 103
3.4. Алгоритм выбора медно-колчеданных рудных тел для их геохимической подготовки к промышленному использованию 113
Выводы по главе 124
4. Разработка технологических рекомендаций по освоению забалан совых запасов Узельгинского и Октябрьского месторождений 125
4.1. Конструирование технологических схем разработки залежей забалансовых запасов медно-колчеданных руд 125
4.2.0боснование параметров процессов выщелачивания и осаждения... 130
4.3 Технологическая проработка вариантов геохимической подготовки забалансовых запасов на примере Узельгинского и Октябрьского месторождений 136
4.4 Оценка экономической эффективности освоения забалансовых запасов Узельгинского и Октябрьского месторождений. 143
Выводы по главе 146
Заключение 149
- Генетические условия формирования медно- колчеданных месторождений уральского типа
- Оценка устойчивости соединений меди и железа в серосодержащих системах
- Изучение закономерностей формирования геохимических барьеров
- Технологическая проработка вариантов геохимической подготовки забалансовых запасов на примере Узельгинского и Октябрьского месторождений
Введение к работе
В настоящее время на большинстве медно-колчеданных месторождений наблюдается резкое сокращение балансовых запасов руды, что приводит к истощению минерально-сырьевой базы горнодобывающих предприятий. Вместе с тем, принятые в проектах физико-технические технологии не позволяют вовлечь в эффективную отработку все запасы медно-колчеданных руд. В подземном пространстве за проектным контуром в бортах и основании карьеров остаются выклинивающиеся в массиве и распределённые по периметру рудные участки; в шахтных полях неполностью отрабатываются бедные руды и маломощные рудные залежи, отдалённые локальные рудные тела, а также запасы, расположенные в неблагоприятных горно-геологических условиях.
Так, на территории Узельгинского месторождения сосредоточено 65 пологих линзообразных рудных тел, расположенных в двух стратиграфических уровнях, из которых лишь 9 тел относятся к балансовым запасам, а 56 - к забалансовым. Октябрьское месторождение представлено 64 рудными телами, из них 44 - балансовые запасы, а 20 - забалансовые, связанные с глубиной залегания и отдалённостью от вскрывающих выработок.
На горных предприятиях медь также присутствует в подотвальных и шахтных водах с содержанием 50 — 500 мг/дм3. После очистки сточных вод часть металла теряется в шламах. Только на Башкирском медно-серном комбинате с промышленными стоками ежегодно теряется 210 т меди.
Поэтому задача изыскания технологии, обеспечивающей возможность вовлечения забалансовых запасов месторождений и медьсодержащих промышленных стоков в эффективное промышленное использование, весьма актуальна.
Целью работы является разработка физико-химической геотехнологии освоения забалансовых запасов медно-колчеданных месторождений, обеспечивающей расширение минерально-сырьевой базы горнодобывающих предприятий за счёт обогащения руд на месте их залегания.
Идея работы заключается в использовании закономерностей фазовых переходов минеральных веществ в техногенной среде для интенсификации процессов перевода в раствор ионов меди и вторичного минералообразования при освоении забалансовых запасов медно-колчеданных месторождений физико-химической геотехнологией. Задачи исследований: исследование вещественного состава и структурно-текстурных характеристик медно-колчеданных руд и вмещающих пород; выявление закономерностей природного и техногенного генезиса медно-колчеданных месторождений на основе анализа горно-геологических условий залегания рудных тел, их геометрических параметров и минералого-петрографических особенностей; определение условий равновесного сосуществования и фазовых переходов соединений меди и железа в серосодержащих системах; разработка методики обоснования параметров физико-химических процессов минералообразования в техногенной среде; разработка технологических схем эффективного освоения забалансовых запасов медно-колчеданных месторождений.
В качестве объектов исследований были выбраны Узельгинское и Октябрьское месторождения, являющиеся типичными геологическими образованиями уральской колчеданной формации.
При решении поставленных задач использовался комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение отечественного и зарубежного опыта освоения медно-колчеданных месторождений, микроскопию рудных минералов, построение диаграмм устойчивости минеральных равновесий, физико-химическое моделирование процессов минералообразования в техногенных условиях, лабораторные химические эксперименты, рН-потенциометрическое титрование, рентгеноструктурный анализ, статистическую обработку результатов на ЭВМ и сравнительный технико-экономический анализ.
Положения, представленные к защите:
1. Массоперенос ионов меди в техногенных условиях происходит за счёт их фазового перехода из твёрдого состояния в раствор. Параметры выщелачивания определяются на основе диаграмм термодинамического равновесия путём регулирования состава растворителя в зависимости от температуры раствора и атмосферного давления.
2. Механизм осаждения ионов меди из высокоминерализованных растворов на геохимическом барьере, представленном медно-колчеданными рудами, заключается в метасоматическом замещении железа медью в серном колчедане с образованием вторичных минералов.
3. Особенностью технологических схем освоения забалансовых запасов медно-колчеданных месторождений является разделение рудных тел на участки скважинного выщелачивания меди из неблагоприятных для промышленной добычи рудных тел и осаждения меди на обогащаемых колчеданных рудах с предварительным раскрытием в них трещин путём взрывания на сотрясение и извлечение обогащенных на месте залегания руд традиционными физико-техническими способами.
Научная новизна работы:
Определение условий минерального равновесия соединений железа и меди в серосодержащих системах для интенсификации физико-химических процессов минералообразования и эффективного извлечения меди из забалансовых запасов.
Использование медно-колчеданных руд в качестве геохимического барьера для осаждения ионов меди при прохождении медьсодержащих техногенных растворов.
Установление параметров и режима метасоматоза, необходимых для образования вторичных медных минералов на поверхности серного колчедана.
Обоснование методики расчёта параметров геохимической подготовки медно-колчеданных руд к промышленной разработке.
Создание нового варианта выемки забалансовых запасов, основанного на обогащении залежей, благоприятных для извлечения физико-техническими способами, ионами меди из продуктивных растворов выщелачивания.
Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечивается надёжностью и представительностью исходных данных, согласованностью результатов теоретических расчётов и физико-химического моделирования с экспериментальными исследованиями, обработкой результатов методами математической статистики.
Научное значение работы заключается в определении условий интенсификации фазовых переходов минерального вещества в процессе геохимической подготовки забалансовых запасов медно-колчеданных месторождений к эффективному промышленному использованию.
Практическая значимость теоретических и экспериментальных исследований состоит в разработке технологических схем, позволяющих вовлечь в отработку забалансовые запасы месторождений и производить очистку медьсодержащих промышленных стоков путём химического осаждения ионов меди на бедные медно-колчеданные руды, что повысит качество освоения недр и расширит минерально-сырьевую базу горных предприятий медной промышленности.
Реализация рекомендаций. Основные положения диссертации будут использованы в проектах по освоению забалансовых запасов медно-колчеданных месторождений Башкирии.
Апробация работы: Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Международном конгрессе «300 лет Уральской металлургии» (Екатеринбург, 2001), на I и II Международных научно-технических конференциях «Комбинированная геотехнология: проектирование и геомеханические основы» (Магнитогорск, 2001) и «Комбинированная геотехнология: развитие способов добычи и безопасности горных работ» (Магнитогорск, Си-бай, Аркаим, 2003); на Международном совещании «Развитие идей И.Н. Плак- сина в области обогащения полезных ископаемых и гидрометаллургии» (Чита, 2002 г.); на Международных научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2001, 2002, 2003 г.г.); на ежегодных научно-технических конференциях МГТУ им. Г.И. Носова.
Публикации: По результатам выполненных исследований опубликовано 8 работ.
Объём и структура работы: Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 126 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам Института проблем комплексного освоения недр РАН и Магнитогорского государственного технического университета за методическую помощь и ценные советы, а также техническим руководителям Учалинского ГОКа и Башкирского медно-серного комбината за содействие в реализации результатов работы.
Генетические условия формирования медно- колчеданных месторождений уральского типа
Для разработки физико-химической геотехнологии освоения забалансовых запасов медно-колчеданных месторождений к промышленной разработке была поставлена задача изучить условия и последовательность отложения сульфидов меди и железа из гидротермальных растворов, которые необходимы для установления параметров процесса минералообразования в техногенной среде. Колчеданное оруденение во времени и пространстве тесно связано с образованием эффузивных пород кислого состава - липарит-дацитов и липаритов. Рудные залежи располагаются вблизи подошвы или в прикровельных частях вулканических толщ [14, 71, 99]. Процессы колчеданообразования относятся к периодам становления умеренно кислых и кислых составляющих вулканогенных формаций. Генетически в горном массиве отложение рудного вещества протекало во времени многократно с постепенным нарастанием во времени его количества.
Формирование колчеданных руд на Узельгинском и Октябрьском месторождениях Г.Н. Пшеничный связывает с гидротермально-осадочным, гидро-термально-метасоматическим и метаморфогенно-гидротермальным процессами образования [81]. Эти процессы колчеданного рудообразования В. И. Смирнов объединяет в три основных этапа: предрудный; колчеданный; рудный. На первом этапе рудообразования происходило интенсивное предрудное выщелачивание вмещающих пород. Постмагматические водные растворы, обогащенные серой, хлором, фтором и бором, обладали кислой реакцией и несли в себе различные металлы. В результате взаимодействия кислых растворов с породами, через которые они проходили, происходило инфильтрационное замещение горных пород с изменением кислотности и температурного режима раствора. Преобразование рудовмещающих толщ привело к формированию гидро-термально-метасоматической зональности с образованием кварцевых (рН = 2,5-3), кварц-серицитовых (рН = 3-4,5), кварц-хлорит-серицитовых (рН = 4,5-5), кварц-серицит-карбонат-хлоритовых (рН = 5-6,5), кварц-хлоритовых, хлоритовых (рН = 6-7,5) метасоматитов, а также зон гидротермально изменённых пород. Последние образовали ореол вокруг рудных тел с вертикальной зональностью [52, 99]. Поскольку рудоотложение связано с кислыми растворами, то нейтрализация таких растворов происходила на фронте выщелачивания или в результате охлаждения минерализованных растворов, что являлось одной из главнейших причин концентрированного отложения рудных минералов. Поэтому руды ассоциировались с кварцевыми, кварц-серицитовыми и кварц-хлорит-серицитовыми метасоматитами, которые были подвержены кислотному гидротермальному преобразованию.
Второй колчеданный этап характеризовался перенасыщенностью растворов ионами серы и железа и массовым выпадением сульфидов железа, минеральные формы которых зависели от соотношений в растворе ионов серы и железа. С этим этапом было связано формирование значительной массы сплошных и прожилково-вкрапленных руд на некоторых глубинах от дна океана (гидротермально-метасоматическое рудообразование), а также отложение сульфидных руд на морском дне (гидротермально - осадочное образование). Оба процесса могли совмещаться во времени и частично в пространстве. Возникновение гидротермально-осадочных залежей было возможно лишь в условиях ограниченного взаимодействия с морской водой высококонцентрированных растворов, так как это приводило к рассеиванию рудного вещества. Условием для образования рудных осадков являлось скопление рассолов в суб-маринных депрессиях и возникновение относительно закрытых систем, самоизолированных от морской воды в силу существенных различий в плотностях [84]. Выпадение рудного вещества осуществлялось смешением рудоносных растворов с морской водой на контакте с вулканическими породами. Формами осаждения являлись гидроксиды железа и самородная сера. Смешанные желе-зосерные осадки при диагенезе преобразовались в дисульфидные руды.
Второй этап рудообразования происходил в условиях высоких температур и характеризовался формированием в основном серноколчеданных и в незначительном количестве медно-колчеданных руд. Серный колчедан на месторождениях уральского типа представлен как пирротином, так и пиритом. В осаждении из раствора этих минералов главную роль играло изменение концентраций в растворах катионов металлов и анионов серы. Последние формировались в результате электролитической диссоциации сероводорода. Установлено, что при понижении температуры вместе с увеличением растворимости H2S возрастает её концентрация в растворах, что приво-дит к увеличению концентрации S ". Следовательно, по мере охлаждения растворов возникают всё более и более благоприятные условия для химических реакций катионов тяжелых металлов с анионами S " с выпадением из растворов нерастворимых сульфидов [71]. Поэтому на ранних стадиях рудообразования формировались "малосернистые" сульфиды, такие как пирротин. В высокотемпературных растворах количество сероводорода, вступавшего в химическое взаимодействие с водой, сравнительно невелико, следовательно, и относительная концентрация ионов S " не столь уж высока. Именно этим объясняется, что в данных условиях образовывались сульфиды с более низким соотношением сера и металла. По мере понижения температуры гидротермального раствора растворимость сероводорода возрастала. Поэтому происходило образование более богатого серой сульфида - пирита. Пирит, кроме того, нередко образовывался за счёт пирротина метасома-тическим путём. Изучение парагенетических соотношений показало, что пирит являлся наиболее богатым серой сульфидом железа, чем пирротин. Спаренный анион [S2] , входящий в состав пирита, по сравнению с простым анионом S " (в пирротине), представляет более окисленную форму в ряду ионов серы, при условии выноса из кристаллической решётки пирротина части ионов железа [52]. О том, что пирит образуется в более окисленных условиях, чем пирротин, можно заключить по диаграмме (рис. 1.5).
На рисунке 1.5. видно, что если из вершины О провести луч Оа, то этот луч по направлению к вершине (т.е. по мере увеличения концентрации кислорода в нашей системе) пересечёт последовательно четыре бинарных парагенезиса: Fe + FeS (устойчивый в бескислородной среде); Fe304 + FeS, РезС 4 + FeS2; Fe203 + FeS2- Отсюда следует, что пирротин существует только в восстановительной среде, а пирит - в окислительной. Следовательно, пирротин не устойчив в кислой среде и легко будет взаимодействовать с минерализованными водами, образуя новые минералы. Замещения пирротиновых руд пиритом без сопровождения какими-либо другими минералами, наблюдаются достаточно часто. Образование пирита (FeS2) связано с повышением парциального давления серы и кислорода: FeS+H2S + 02=FeS2+H20 (i.i) Третий рудный этап колчеданного рудообразования отделены от двух предыдущих перерывом во времени.
Гидротермальные растворы рудного этапа минералообразовния были металлоносными бессернистыми или резко недосыщенными серой. Для рудоносных растворов на основе изучения включений в колчеданных рудах Японии приняты следующие параметры процесса минералообразования: температура 150-300 С; рН от 3.5 до 5; концентрация NaCl от 0,5 до ЗМ; концентрация S от до 10 М; фугитивноть кислорода (ГО) от 10 до 10 . Растворы поставляли основную массу цветных металлов, переносимых бессернистыми или недосыщенными серой растворами в форме хлоридов и комплексных соединений. С этим этапом рудообразования было связано формирование богатых медно-колчеданных и частично колчедано-полиметалличеких руд [16]. Наиболее обычными ассоциациями в медно-колчеданных рудах являются халькопирит + пирит или пирротин (рис. 1.6). При этом, как показывает изучение взаимоотношений минералов, сульфиды железа кристаллизуются раньше халькопирита. Следовательно, халькопирит в рудах будет заполнять трещины, полости и поры в минеральных агрегатах серного колчедана.
Оценка устойчивости соединений меди и железа в серосодержащих системах
Для определения условий равновесного сосуществования и взаимных переходов соединений меди и железа в серосодержащих системах был проведён термодинамический анализ устойчивости серы и её соединений в водных растворах. Термодинамический анализ включает в себя: определение активности ионов, расчёт полуреакций окисления сульфидной или восстановление сульфатной серы; выражение полуреакций через физические величины и построение диаграмм в координатах Eh - рН. Лі Лі Активности ионов СіГ и Fe и суммарную активность Е S в растворе определяли [25, 51,91]: а = т,- у І , (2.3) где а - активность или термодинамическая концентрация; Yi - коэффициент активности; rrij — моляльность, концентрация данного иона. Коэффициенты активности ионов зависят от ионной силы, которая вычисляется: Т 1 V 2 (2.4) где - Zj- заряд иона. С учётом этого коэффициент активности отдельных ионов определяется по уравнению Дэвиса: (2.5) Azf-yfT Igr, = :Н т= + СІ 1 + аВ 4Т где А и В — коэффициенты, учитывающие растворитель, температуру и давление; Zj — валентность растворимых ионов; I - ионная сила; а - величина, зависящая от эффективного диаметра данного иона в растворе; С -константа подбирается эмпирически для каждого отдельного электролита.
Начальное содержание ионов меди, железа и серы в растворе, их моляльность, коэффициент активности и активность приведены в табл. 2.2 Все химические полуреакции записывались в виде [25]: С[восСТ.]+1Н20=к[окисл.]+П1ІҐ+ПЄ (2.6) Основные химические реакции, используемые при построении диаграммы равновесных соотношений серосодержащих компонентов в воде: "г водн. крисш. "І" водн + Є (2.7) SKpucm. + 4Я2Оводн = HSO eodH + 7#;odH. + 6e (2.8) SKPucm. + 4Н2водн = SOTeodH + 8#1), + 6 (2.9) H2SeodH. = HSeodH. + Яв+одн (2.10) HSO AeodH. = Нводн. + WH (2.11) -dw. + 4#2OeodH. = OT42;oa, + 9# + (2.12) Окислительно-восстановительный потенциал химических полуреакций находился по уравнению Нернста [68]: «F ас (2ЛЗ восст где Е — стандартный электродный потенциал полуреакции, В; п — число участвующих электронов; R — молярная газовая постоянная, 8,314 Дж/моль К; Т — абсолютная температура, К; F - постоянная Фарадея, 9,65 104 Кл. Значения стандартных электродных потенциалов Е определялись из величин изобарно-изотермических потенциалов образования ионов по уравнениям [58, 64]: AG (2.14) три реакции реакции гр AG0=EAGv, -SAG, п 15\ J (продукты ) / (исходные .вещества ) v / В таблице 2.3 приведены физические уравнения, описывающие химические полуреакции 2.7—2.12.
Данные уравнения используются для построения диаграмм устойчивости минеральных ассоциаций. Результаты термодинамических расчётов устойчивости серы и её форм в растворах при температуре 20 С представлены на рис. 2.14. Термодинамический анализ равновесного сосуществования серы и её соединений показал, что при температуре 20 С существенную роль играют лишь сульфидные (H2S, HS" ,S ") и сульфатные (HSO4", SO4 ") растворенные формы, а также твердая элементарная сера. Стабильными формами в окисленных условиях является серная кислота (H2SOA) и продукты её диссоциации (HSO 4 , SO4 ), в восстановительных — сероводородная кислота (-"г") и продукт её диссоциации ( HS ). Область термодинамической устойчивости элементарной серы S0 находится в кислых растворах, где также совместно сосуществуют сульфатная и сульфидная сера. С полями устойчивости серной кислоты и продуктов её диссоциации связано сульфатообразование, которое проходит при выщелачивании руды по реакции: 70 Me + H2S04 +j02 = MeSO 4 + н2о (2Л6) А в области существования сероводорода и продуктов его диссоциации происходит процесс сульфидообразования, связанный с осаждением растворённых ионов в виде сульфидов по реакции: Me + 2Н 2S + 02 = MeS +2Н20 (2.17) Eh 0,4 0,2 0 -0,2 --0,4 --0,6 -0,8 HSOI s - _ Н т 2 -т-4 --. нр "і 6 т-8 so}- Я S —і— 10 12 14 рН --1,-2 Рис. 2.14.
Диаграмма равновесных соотношений устойчивости элементарной серы и серосодержащих форм в водных растворах при 20 С для суммарной активности серы 0,001 моль/дм3 1 — линия разложения воды, 2 — линия раздела областей преобладания растворённых форм Следовательно, для разработки технологии геохимической подготовки необходимо учитывать условия существования в водном растворе различных форм серы, которые отражают сложные процессы сульфидо- и сульфатообразо-вания. Для определения условий равновесного сосуществования медьсодержащих минералов был проведён термодинамический анализ устойчивости соединений меди в зависимости от основных физико-химических параметров кислотности (щёлочности) среды и её окислительно-восстановительного потенциала.
Для решения этих теоретических вопросов важное значение приобретают термодинамические расчёты, которые позволяют уже на количественном уровне прогнозировать параметры и результат процессов рудообразования. Химические реакции, используемые для построения диаграммы устойчивости соединений меди в серосодержащих системах: Реакции в поле H2S: CU2SKpucm. + H2SeodH = 2C SKpucm. + 2Нводн + 2 (2.17) Реакции в поле HS: CU2SKpucm. + HS eodH. = 2CuSKPucm. + Нводн +2ё (2.18) Реакции в поле HSO A: 2См5 ,си. + 4Н2Оводн = 2Cu2SKpucm, + HSO;eodH + 1Н+вадн + бё (2.19) Cu2SKpucm. + Ш2Оводн = 2Q&. + ЖО;вод„ + 7Я+ +1 Оё (2.20) Реакции в поле5042": 2Си5 от. + 4Н2Оводн = Cu2S m, + Sab , + 8 Я „ + бё (2.21) 2Cu2SKpucm. + АН2Оводн = 2Сикржт. + SOl eodH + 8tf „ + бё (2.22) 2Сикржт. + Н2Отдн = Си2Окрист + 2Н одн + 2ё (2.2з) СщО + С02!аз + 2Н2Оводи = Си2(ОЩгСОг + 2tfe+od„ + 2ё (2.24) cu2sKpucm.+ш2отдн=2Си +so24;odH+8я;л.+бё (2.25) 20,„. + С01газ + ЗН2Оводн = Си2 (ОН)2 СОікрист, + АЩодн (2.2б) Сикрис„, = Си2 + 2е (2.27) Физические уравнения, описывающие химических полуреакций 2.17 -2.27 приведены в таблице 2.4.
Изучение закономерностей формирования геохимических барьеров
Физико-химическая геотехнология освоения бедных медно-колчеданных руд включает в себя не только выщелачивание меди из руд, но и её переотложение на подвижном геохимическом барьере, представленном медно-колчеданными рудами с образованием вторичных медьсодержащих минералов. Природным аналогом осаждения меди из растворов является вторичное обогащение в зоне окисления сульфидных месторождений (рис. ЗЛО.) [118,124]. А технологическая реализация данного процесса происходит в цемента-тарах (рис. 3.2). Поэтому необходимо определить параметры и режим работы геохимического барьера. Концепция геохимических барьеров, введённая А.И. Перельманом, позволяет единообразно рассматривать процессы концентрирования вещества, происходящего при различных физико-химических, химических и геотехнологических процессах. Геохимические процессы имеют разную природу. Подвижный геохимический барьер соответствует случаю, когда пространственные координаты резкого уменьшения интенсивности миграции химических элементов меняются во времени. Подвижность химических элементов уменьшается в области, где имеются существенные градиенты термодинамических параметров.
В фильтрационном потоке растворов могут проявиться также различные типы барьеров: температурный, щелочной, восстановительный и т.д. Концепция подвижных геохимических барьеров может быть распространена и на случай, когда в потоке протекают гетерогенные геохимические реакции между раствором и рудным телом. В этом случае вещество раствора переходит в горную породу, концентрируясь в ней. Здесь геохимическими барьерами являются подвижные фронты реакционного взаимодействия раствора с рудным телом. На основе динамики минералообразования из фильтрующихся растворов могут быть выделены три рода геохимических барьеров в зависимости от характера концентрирования вещества на них. На фильтрационном барьере первого рода имеет место концентрирование вещества А раствора в руде благодаря стехио-метрическому протеканию обменной реакции: Аж + BRme = Вж + ARme (3.18) При этом концентрация минерала AR - продукта замещения равна концентрации замещаемого минерала BR. На фильтрационном барьере второго рода также происходит концентрирование вещества в руде. Однако увеличение концентрации в руде зависит от соотношения скоростей фильтрации и движения геохимического барьера. В частности, реакция протекает на геохимическом барьере второго рода, если лимитирующей стадией является кристаллизация конечной фазы AR. В этом случае реакция протекает нестехиометрически, так как часть исходной фазы BR успевает раствориться и унестись потоком. На геохимическом барьере третьего рода имеет место быть концентрирование вещества раствора, как в твёрдом, так и жидком состоянии. Обменная реакция типа (3.18) протекает на геохимическом барьере третьего рода, когда в потоке меняются термодинамические параметры, влияющие на устойчивость соединений металлов в растворе.
Мы будем рассматривать геохимические барьеры третьего рода. На режим и параметры работы этого геохимического барьера влияют показатели среды минералообразования: температура, кислотность раствора и её окислительно-восстановительный потенциал [95]. Так, теоретические исследования устойчивости сульфидов меди показали (глава 2), что на образование медьсодержащих минералов, как и на их выщелачивание влияют кислотность раствора и его окислительно-восстановительный потенциал. Чем ниже Eh и рН раствора, тем более благоприятные условия для восстановления меди. Поэтому было установлено влияние кислотности раствора и окислительно-восстановительного потенциала среды на метасоматическое замещение железа ионами меди с образованием вторичных медьсодержащих минералов [96,97]. Эксперимент влияние кислотности раствора на режим и параметры работы геохимического барьера заключался в определении зависимости ёмкости минералов, образующих геохимический барьер, от рН раствора (рис. 3.11.). Зависимости сорбционной емкости от кислотности раствора показали, что оптимальное значение для пирита и пирротина является рН равный 2.5. Пирротин лучше реагирует с медьсодержащими растворами в кислых растворах, а пирит - в менее кислых. Ёмкость пирротина в кислой среде при температуре раствора 20 С и давлении 1 атм равном 2 составляет 7,7 мг/г, а ёмкость пирита в слабокислом растворе при рН=3 составляет 7,5 мг/г. В процессе взаимодействия медьсодержащих растворов с бедными мед-но-колчеданными рудами происходит изменение кислотности раствора. Чем продолжительней процесс, тем раствор становится более нейтральным, что удовлетворяет экологическим требованиям к физико-химическим геотехнологиям (рис. 3.12.). Эксперимент показал, что с уменьшением значения Eh количество прореагировавшей меди увеличивается. Это подтверждают теоретические исследования устойчивости минеральных равновесий. При минимальном значении окислительно-восстановительного потенциала ёмкость пирротина и пирита составляет 25 мг/г (см. рис.3.13.), следовательно, осаждать ионы меди из раствора на медно-колчеданные руды необходимо в восстановительной среде при Eh менее 0,05 Вив кислых растворах при рН равном 0,7. Установлено, что эффективным восстановителем при осаждении ионов меди является тиосульфат натрия ИагЭгОз в количестве 35 кг/т, который повышает скорость осаждения ионов меди в 5 раз. Изменение окислительно-восстановительного потенциала в течение времени показано на рис. 3.14. В результате взаимодействия ионов меди с железосодержащими сульфидами происходит восстановление среды минералообразования, т.е. понижение значения окислительно-восстановительного потенциала, что благоприятно действует на окружающую среду.
Технологическая проработка вариантов геохимической подготовки забалансовых запасов на примере Узельгинского и Октябрьского месторождений
Практическая реализация результатов научных исследований представлена в виде рекомендаций по отработке забалансовых запасов медно-колчеданных месторождений. Освоение забалансовых запасов Узельгинского месторождения Для реализации физико-химической геотехнологии на Узельгинском месторождении определены типичные для забалансовых запасов рудные тела № 29, 33, 43 и 45 (табл. 4.2.), расположенные вдоль контура четвёртой залежи промышленного значения. Рудные тела № 29, 43 и 45 являются донорскими, из них будут выщелачивать медь, а 33 - обогащаемое, предназначенное для осаждения меди. Донорские тела расположены на 460-ом горизонте. Для вскрытия этих рудных тел от квершлага на 490 горизонте проходят наклонные заезды под углом 8. Подготовка рудных тел заключается в проведении двух полевых штреков, которые сбиваются ортами. Штреки проходят на расстоянии 2 м от рудного тела в налегающих породах сечением 9 м для обеспечения работы самоходного оборудования и вентиляции.
Одновременно проводятся горные выработки, вскрывающие обогащаемое рудное тело, расположенное на 550 горизонте. Выработки проходят от наклонных заездов. Рудное тело подготавливается полевыми штреками, сбитыми ортами. Верхний полевой штрек проходит в налегающих породах на расстоянии 4 м от рудного тела, а нижний в подстилающих породах ниже тела на 15 м. В результате в налегающих и подстилающих рудное тело породах образуются две кольцевые системы горных выработок, сбитые вентиляционными восстающими. Такая система обеспечивает необходимую циркуляцию воздуха для проветривания горных выработок. Схема бурения скважин предусматривает расположения нагнетательных скважин по треугольной сетке. В центре оросительных треугольников монтируют откачную скважину (см. рис. 4.6). Для орошения 29 рудного тела потребуется 28 закачных скважин и 30 откачных, для 43-го и 45-го 9 и 10, 4 и 6 скважин соответственно. Длина откачных скважин составляет 6,5 м. Нагнетательные скважины обсаживаются кислотоустойчивыми полиэтиленовыми трубами с цементацией устьев. Длина закачных скважин составляет 4 м. Из дренажного штрека раствор подаётся по трубопроводу в нагнетательные скважины под давлением 60 м вод ст. Орошать рудное тело рекомендует-ся по блокам площадью 1500 м . Откачные скважины соединены с трубопроводом, где раствор поступает в раствороприёмник. Из ортов 541 горизонта бурят нисходящие веера скважин для орошения обогащаемого рудного тела. Забой скважин используется для размещения ВВ, впоследствии через устья скважин подаются продуктивные растворы.
Подача продуктивных растворов осуществляется через скважины, пробуренные в кровлю блока из подготовительных ортов. Сетка скважин 3,2x2,8м. Для 43 рудного тела площадью 11200 м необходимо 1101 скважина. Орошать рудное тело рекомендуется по камерам размерами 50x20x7 м. Тогда требуемое количество орошаемых скважин составляет 98. Из ортов, расположенных в подошве рудного тела на 565 горизонте, бурят восходящие веера скважин для сбора маточного раствора. На всю площадь 43 рудного тела требуется 268 дренажных скважин. Подготовка растворов выщелачивания производится на поверхности или в подземных камерах. Объём ёмкостей рабочего раствора определяется исходя из суточной производительности камеры площадью 50x20 м и составляет 142 м . Приготовление растворителя при температуре 20 С и давлении 1 атм осуществляется следующим образом: в ёмкость с шахтными водами в количестве 135 м3 добавляется концентрированная серная кислота в количестве 1210 л, после перемешивания - окислитель 165 кг. Расход окислителя составляет 50 кг/т выщелачиваемой руды. Приготовление растворителя осуществляется перемешиванием полученного раствора в течение 5 мин. Комплексный растворитель нагнетается под давлением равным 60 м в рудное тело, что способствует переводу раствора в центральную откачную скважину из окружающих её нагнетательных скважин. Продуктивный раствор после одного цикла выщелачивания содержит 2,6 г/л меди. Циклы выщелачивания повторяют до тех пор, пока содержание меди не составит 0,1 г/л. Продуктивный раствор, откаченный из скважин на поверхность, поступает самотёком по трубопроводу в бассейн или ёмкость, помещаемую в самой низкой точке поверхности участка выщелачивания, и затем с помощью насоса перекачивается на узел очистки, где металлы железа извлекаются в форме гидрооксидов. Гидрооксиды балластных металлов осаждаются путём нейтрализации растворов известью. Затем воды поступают на узел восстановления для осаждения. Подготовка раствора для выщелачивания осуществляется в отдельных камерах. Объём ёмкости для приготовления растворов определяется, исходя из производительности камеры 6306 м3/сут., однако растворы готовятся непрерывно, поэтому производительность определяется за 1 час и составляет 262 м3. Для приготовления раствора необходима ёмкость вместимостью 280 м . Раствор готовится последовательно: в воду объёмом 250 м3 добавляют 604 кг или 305 л концентрированной серной кислоты, перемешивая в течение 5 минут, затем в полученный раствор добавляют 52,5 кг тиосульфата натрия.
Сбор маточных растворов осуществляется в нижележащем полевом штреке через дренажные скважины диаметром 105 мм, пробуренные в целике, расположенный в основании камеры, и обсаженные трубами диаметром 100 мм. Маточные растворы по скважинам поступают в желоб, смонтированный в нижнем штреке р.т № 33, из которого самотёком поступают в раствороприём-ник, расположенный на том же горизонте. Полученные растворы контролируются на содержание меди. Если количество меди не превышает 0,1 г/л, то маточные растворы по трубопроводу поступают на узел подготовки комплексного растворителя. Если содержание выше 0,1 г/л, то повторяется цикл осаждения. После завершения процесса осаждения обогащенное рудное тело отрабатывается камерной системой разработки. Освоение забалансовых запасов Октябрьского месторождения На Октябрьском месторождении типичными рудными телами являются № 25, 26 и 22 (табл. 4.2), расположенные на третьем и четвёртом участках месторождения. Рудные тела № 25 и 26 являются донорскими, из них будут выщелачивать медь, а на 22 тело осаждать. Рудное тело № 25 Октябрьского месторождения находится на 380 горизонте, а 26 р. т. на 300 горизонте. Для вскрытия 25 р.т. проводятся наклонные заезды от квершлага вниз, расположенного на 300 горизонте. В кровле рудного тела проходят штреки, сбитые ортами. Вскрытие и подготовка 26 р. т. осуществляется проходкой наклонных заездов от 300 горизонта и полевых штреков.
Вскрытие 22 рудного тела, расположенного на 180 горизонте, включает проведение наклонных заездов от квершлага 220 горизонта. Для подготовки тела к обогащению в налегающих породах на расстоянии 2 м, а в подстилающих породах на расстоянии 15 м от рудного тела проходят полевые штреки, сбитые ортами. Технологические параметры системы орошения и сбора раствора рассчитывались по методике Д. Гардиера и М. Ричи. Скважины рекомендуется располагать по треугольной сетке. Закачные скважины находятся в вершинах треугольника на расстоянии друг от друга около 15 м, а откачные скважины в центре треугольника. Диаметр скважин составляет 110 мм. Скважины обсаживаются кислотоустойчивыми полиэтиленовыми трубами с цементацией устьев. Толщина обсадных труб 10 мм. Оросительная система для выщелачивания включает нагнетательные и откачные скважины, расположенные по треугольной сетке. Для орошения 25, 26 и 11 рудных тел необходимо использовать соответственно 13, 8 и 15 откачных скважин и 14, 7 и 17 закачных. Для создания оросительной системы из верхнего штрека бурят скважины с сеткой в забойной части 3,2x2,78 м, получая тем самым на площадь рудного тела равного 4898 м 481 скважину. Но поскольку обогащение рудного тела проводится по камерам, то количество скважин на камеру составляет 98. Скважины обсаживаются полиэтиленовыми трубами диаметром 100 мм. Подготовительные работы в массиве ведутся одновременно со строительством комплексов по подготовке растворителя и растворов на осаждение.
