Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние и перспективы развития технологий формирования техногенных месторождений 9
1.1. Анализ мирового опыта складирования, эксплуатации и последующей утилизации отходов горно-обогатительного производства 9
1.2. Масштабы накопления, особенности вещественного состава и свойств отходов производства при разработке медно-колчеданных месторождений Южного Урала 19
1.3. Обобщение технологий формирования техногенных массивов из отходов горно-обогатительных предприятий 27
1.4. Влияние технологических характеристик массива на показатели выщелачивания техногенного сырья 43
1.5. Цель, задачи, методы исследований 50
2. Развитие научно-методических основ технологии формирования технологических свойств отходов добычи и обогащения руд 52
2.1. Обоснование целесообразности и условий формирования техногенных массивов с заданными технологическими характеристиками 52
2.2. Классификация отходов добычи и переработки медно-колчеданных руд по свойствам, влияющим на технологические характеристики формируемого массива ; 58
2.3. Разработка научно-методических основ технологии целенаправленного изменения свойств техногенного сырья при комплексном освоении медно-колчеданных месторождений 72
2.4 Разработка методики выбора способов формирования технологических свойств для эффективного складирования некондиционного сырья 88
Выводы по 2 главе 97
3. Экспериментальные исследования процессов подготовки техногенного сырья для последующей эффективной эксплуатации . 99
3.1. Разработка способов подготовки отходов добычи руд для эффективного использования в краткосрочной перспективе 99
3.2. Изучение структурных характеристик тёхногенных массивов, представленных поризованными хвостами обогащения руд 109
3.3. Разработка способа подготовки тонкодисперсного техногенного сырья для эффективного вовлечения в эксплуатацию 117
3.4. Изучение технологических свойств хвостов обогащения медно- колчеданных руд, уложенных в контейнеры из геотекстиля 131
3.5. Разработка способа складирования хвостов обогащения медно- колчеданных руд для длительного хранения 136
Выводы по 3 главе 140
4. Разработка технологических рекомендации по комплексному использованию отходов Бурибаевской обогатительной фабрики и оценка их экономической эффективности 142
4.1. Разработка алгоритма выбора способов подготовки техногенного сырья к последующей эксплуатации 141
4.2. Технологические рекомендации по складированию текущих хвостов Бурибаевской обогатительной фабрики 152
4.3. Оценка эколого-экономической эффективности предлагаемых технологических решений 157
Выводы по 4 главе 161
Заключение 163
Список использованных источников 1
- Масштабы накопления, особенности вещественного состава и свойств отходов производства при разработке медно-колчеданных месторождений Южного Урала
- Классификация отходов добычи и переработки медно-колчеданных руд по свойствам, влияющим на технологические характеристики формируемого массива
- Изучение структурных характеристик тёхногенных массивов, представленных поризованными хвостами обогащения руд
- Технологические рекомендации по складированию текущих хвостов Бурибаевской обогатительной фабрики
Введение к работе
Актуальность работы
Освоение медно-колчеданных месторождений Урала приводит к образованию на земной поверхности значительного количества отходов добьгаи и переработки руд. Причем, содержание в них ценных компонентов и общий объем накопленных металлов сопоставимы по многим элементам с рудами перспективных месторождений. По оценкам специалистов отработка техногенных образований возможна, преимущественно, физико-химическими геотехнологиями, актуальность применения которых не вызывает сомнений. Вместе с тем, развитие их в России сдерживается рядом весомых причин: недостаточной изученностью техногенной сырьевой базы, характеризующейся низкими технологическими свойствами; низкой интенсивностью процессов выщелачивания; сложностью управления процессами фильтрации; отсутствием апробированных технологических решений, в том числе основанных на применении новых реагентов, физических полей, геоматериалов, для формирования техногенных массивов с заданными характеристиками.
Сокращение объемов отходов на поверхности Земли требует изменения подхода к использованию техногенного сырья. В процессе складирования и хранения техногенного сырья должна осуществляться его целенаправленная подготовка для дальнейшего использования, достигаемая путем контролируемого изменения его физико-механических свойств, вещественного состава и структурных характеристик. Это позволит задать необходимые технологические характеристики отходам, которые обеспечат возможность последующей эффективной эксплуатации сформированного техногенного образования. Обоснование геотехнологических решений по подготовке техногенного сырья для эффективного использования при комплексном освоении медно-колчеданных месторождений призвано обеспечить расширение минерально-сырьевой базы горных предприятий и представляет собой весьма актуальную задачу.
Целью работы является обоснование способов подготовки техногенного медно-колчеданного сырья к эффективному использованию для повышения комплексности освоения месторождений.
Идея работы заключается в совершенствовании технологий формирования техногенных образований путем использования новых реагентов и материалов для направленного преобразования или сохранения вещественного состава техногенного сырья с целью его эффективной разработки физико-химическими геотехнологиями.
Задачи исследований:
анализ опыта переработки отходов горно-обогатительных предприятий и обобщение знаний в области разработки техногенных месторождений;
классификация отходов добьгаи и переработки медно-колчеданных руд по свойствам, влияющим на технологические характеристики техногенного сырья, и способу их изменения;
исследование параметров геотехнологий, обеспечивающих формирование технологических характеристик техногенного медно-колчеданного сырья для его эффективной переработки;
разработка методики выбора способов подготовки техногенного сырья для эффективного использования при комплексном освоении месторождений медно-колчеданных руд;
разработка и оценка экономической эффективности технологических решений по формированию технологических характеристик отходов добычи и переработки медно-колчеданных руд.
Для решения поставленных задач в качестве объекта исследований было выбрано техногенное медно-колчеданное сырье - отходы добычи и переработки
РУД-
Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий обобщение и анализ опыта формирования техногенных месторождений и переработки техногенного сырья; гео лого-технологические исследования; химический и рентгенофазовый анализы; проведение лабораторных и опытно-промышленных экспериментов, направленных на определение основных технологических свойств сырья, а также планирование и обработку результатов современными методами математической статистики, технико-экономические расчеты.
Положения, выносимые на защиту:
Совершенствование физико-химической геотехнологии разработки медно-колчеданных техногенных образований достигается путем применения при складировании сырья геотубов (контейнеры из геотекстиля) и реагентов-поризаторов для сохранения, либо направленного изменения вещественного состава и характеристик техногенного сырья с целью его эффективного использования.
Формирование из текущих хвостов обогащения медно-колчеданных руд устойчивой при длительном хранении структуры участков пористого техногенного массива высотой не более 30 м, гарантирующей сохранность пор и создание условий для бурения скважин, диффузии и фильтрации растворов при скважинном выщелачивании, обеспечивается при соотношении компонентов смеси, направляемой на поризацию (% от общей массы): 50 % хвостов обогащения, 15 % инертного материала, 5% цемента, 25% воды и 5% синтетического однокомпонентного порообразователя с кратность пены 5-7.
3. Складирование отходов обогащения в геотубы обеспечивает
обезвоживание текущих хвостов обогащения до 15% влажности в течение
первых 24 часов без использования аппаратных методов, способствует изоляции
техногенного сырья от внешних природных воздействий, сохранению его
качества и однородности вещественного состава на длительную перспективу.
4. Выбор рационального способа подготовки техногенного медно-
колчеданного сырья для эффективного использования при комплексном
освоении медно-колчеданных месторождений должен производиться в
соответствии с показателем ресурсной ценности сырья, определяемым отношением ценности извлекаемых при переработке компонентов к затратам на реализацию технологии.
Научная новизна работы:
Классификация отходов добычи и переработки медно-колчеданных руд по основным признакам - структуре, вещественному составу и физико-механическим характеристикам, непосредственно влияющим на выбор способа подготовки техногенного сырья к выщелачиванию.
Принципы обоснования параметров подготовки участков техногенного массива к последующему выщелачиванию, обеспечивающие повышение эффективности использования техногенного сырья.
3. Методика выбора способа подготовки техногенного сырья к
эффективному использованию в зависимости от его ресурсной ценности.
Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечивается надежностью и представительностью исходных данных, удовлетворительной сопоставимостью результатов теоретических, экспериментальных лабораторных и опытно-промышленных исследований, обработанных методами математической статистики, использованием современного оборудования и апробированных методик.
Практическая значимость работы состоит в разработке новых способов подготовки техногенного медно-колчеданного сырья, его складирования и хранения при комплексном освоении медно-колчеданных месторождений.
Реализация работы. Результаты работы использованы при выполнении государственного контракта с Минобрнаукой РФ № 16.515.11.5065 (руководитель академик РАН К.Н. Трубецкой) и № 14.740.11.1272 от 17 июня 2011 г. по мероприятию 1.3.2 «Проведение научных исследований целевыми аспирантами» федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы. Основные положения диссертации были использованы для разработки технологических схем складирования и переработки некондиционного сырья в условиях Учалинского и Бурибаевского ГОКов.
Личный вклад автора состоит в обосновании методики и проведении исследований технологий подготовки техногенного сырья к последующей эксплуатации, определении основных направлений совершенствования геотехнологий, разработке методики выбора рационального способа подготовки сырья.
Апробация работы. Результаты, основные положения и выводы докладывались и обсуждались на международном совещании «Плаксинские чтения. Новые технологии обогащения и комплексной переработки труднообогатимого природного и техногенного минерального сырья» (Верхняя Пышма, сентябрь 2011 г.); VI международной конференции «Комбинированная геотехнология: теория и практика реализации полного цикла комплексного
освоения недр» (Магнитогорск, май 2011 г.); 67, 68, 69 научно-технических конференциях Магнитогорского государственного технического университета; технических советах Учалинского и Бурибаевского ГОКов.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 9 работах, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 110 наименований и содержит 175 страниц машинописного текста, 37 рисунков, 19 таблиц.
Автор выражает благодарность академику К.Н. Трубецкому, член-корреспонденту РАН Д.Р. Каплунову, профессорам М.В. Рыльниковой и В.Н. Калмыкову, к.т.н. Д.Н. Радченко, Е.А. Емельяненко, В.В. Олизаренко за ценные советы в подготовке диссертации, сотрудникам кафедры ПРМПИ и ОПИ Института горного дела и транспорта МГТУ им. Г.И. Носова, а также руководству Учалинского горно-обогатительного комбината за организацию лабораторных и опытно-промышленных исследований.
Масштабы накопления, особенности вещественного состава и свойств отходов производства при разработке медно-колчеданных месторождений Южного Урала
Изучение опыта промышленной эксплуатации отходов обогащения фабрик, перерабатывающих медно-колчеданное сырье, показал, что на отдельных предприятиях разработаны и внедрены в производство достаточно эффективные технологии обогащения хвостов, позволяющие получать товарные продукты удовлетворительного качества.
По своей сути хвосты обогащения представляют собой по набору ценных компонентов тонкоизмельченное сырье, пригодное для извлечения цветных и благородных металлов, уже добытое из недр и прошедшее предварительную подготовку. Созданная таким образом и ежегодно наращиваемая действующими обогатительными фабриками техногенная сырьевая база, несмотря на низкое содержание металлов (медь - 0,17- — 0,54%, цинк - 0,129 - 0,61%, золото - 1,0 - 1,3 г/т, серебро - 9,9 - 19,0 г/т) при определенных условиях конкурентна с балансовыми рудами перспективных медно-колчеданных месторождений. Однако, при вовлечении в эксплуатацию хвостов обогащения возникает ряд сложностей, обусловленных, в первую очередь, принятым способом складирования данных отходов, особенностями их минерального состава, характером вкрапленности, а также ограниченностью необходимых инвестиций и дополнительных производственных мощностей на горнодобывающих предприятиях.
Анализ существующих технологических решений по вовлечению в эксплуатацию хвостов обогащения медно-цинковых руд флотационными, гравитационными, электрическими и комбинированными методами показал, что в промышленных масштабах такие технологии до настоящего времени не нашли широкого применения [2], поскольку селекция техногенных сульфидов механическими методами характеризуется низкой эффективностью.
Изыскание эффективных способов активной эксплуатации ; и последующей утилизации отходов обогащения с использованием пирометаллургических, гидрометаллургических, биогидрометаллургических, комбинированных и других методов в разные годы проводились ведущими научно-исследовательскими и проектными институтами СССР, СНГ, РФ и зарубежными учеными.
Практический интерес представляет комплексный подход к переработке пиритсодержащего сырья на заводах «Дуйсбург» и «Мансфельд» (Германия), «Кеккола» (Финляндия) и «Тобато» (Япония) [51]. Особенностью этих предприятий является целевая направленность производства на получение высококачественного железосодержащего продукта, пригодного для выплавки высокосортных сталей, при попутном извлечении золота, серебра, меди, цинка и других металлов из пиритного сырья пирометаллургическим методом.
Необходимо отметить, что пирометаллургические технологии представляют значительный интерес, ввиду комплексного извлечения металлов и малоотходности. Однако, их внедрение, с одной стороны, требует существенных инвестиций, и, с другой стороны, увеличивает экологическую нагрузку в регионе переработки.
В этом отношении предпочтительны гидрометаллургические методы [97, 38, 41], обеспечивающие возможность переработки сложного полиметаллического сырья с полным разделением металлов. Использование различных методов выщелачивания и процессов интенсификации химических реакций при правильном их сочетании с экстракционными и сорбционными процессами способствует более широкому применению гидрометаллургии для переработки хвостов обогащения [20].
Группой ученых Башкирского государственного университета, института органической химии УНЦ РАН разработана технология селективного выделения цветных металлов из продуктов переработки медно- цинковых руд Учалинского ГОКа и Башкирского медно-серного комбината. Сущность метода заключалась в использовании кислых подотвальных вод и серной кислоты, растворяющих медь и иные металлы, с последующим их выделением комплексным сорбционно-экстракционным методом. Степень чистоты получаемой меди обеспечивалась в интервале 99,9-99,96%. Селективно выделялись железо (до 90 %), селен (70%), теллур (76%), кадмий (до 95%), свинец (61%), стронций (45%). Предложенный подход по использованию кислых рудничных вод в качестве химического агента при выщелачивании в современных эколого-экономических условиях весьма оправдан. Наряду с полезным использованием стоков достигается достаточно высокая степень очистки металлов после их извлечения.
Анализ отечественной практики показал, что методы физико- химической геотехнологии применяются, как правило, при переработке отходов обогащения золотосодержащих руд. Для кучного или подземного выщелачивания хвостов обогащения медно-цинковых руд такие технологии не разрабатывались, что связано, в первую очередь, со способами складирования хвостов обогащения, характеризующимися повсеместным применением хаотичного намыва в хвостохранилища. Сложные схемы разведки и разработки хвостохранилищ физико-техническими способами, неоднородность качественного состава и низкие фйльтрационные свойства техногенных массивов, а также высокие затраты на гидрометаллургический передел и относительно невысокая, в сравнении с благородными металлами, ценность цветных металлов на мировом рынке сырья определяют низкую окупаемость затрат на извлечение меди и цинка.
Вместе с тем, в США (штат Огайо, Мичиган) широкое распространение получило кучное выщелачивание хвостов обогащения сульфидных медных руд после предварительного окомкования [108]. Разработан и внедрен в производство способ получения прочных окатышей, устойчивых в щелочных водных средах. Применение подобных схем окомкования к сульфидным медно - цинковым хвостам не изучено, а их кучное выщелачивание в тонкодисперсном состоянии сдерживается низкими коэффициентами фильтрации жидкости через массив.
В целом, обобщение многолетнего мирового опыта вовлечения в эксплуатацию отходов добычи и переработки руд свидетельствует о наличии технической и технологической возможности, экономической и экологической целесообразности применения физико-химических технологий для комплексного извлечения металлов даже при их невысоком содержании в техногенных образованиях. Низкая интенсивность процесса, недостаточная изученность сырьевой базы, сложность управления процессами фильтрации и выщелачивания в недрах послужили причиной того, что методы выщелачивания, в целом, показавшие достаточно высокие результаты при промышленной апробации, не нашли широкого промышленного применения.
Для эффективного вовлечения бедных отвальных и забалансовых руд в промышленную эксплуатацию необходимы: проведение комплексных исследований закономерностей формирования качественного состава природного и техногенного сырья, изучение процессов фильтрации и выщелачивания металлов в рудном массиве, поиск рациональных растворителей и методов интенсификации процессов выщелачивания, изыскание рациональных способов комплексного или селективного извлечения металлов с учетом особенностей качественного состава георесурсов и тенденций мирового рынка.
Классификация отходов добычи и переработки медно-колчеданных руд по свойствам, влияющим на технологические характеристики формируемого массива
Минеральная форма ценных компонентов, наряду с формой и размером их выделений, будут определять не только скорость растворения и извлекаемость ценных компонентов, но и влиять на технологическую схему вовлечения сырья в переработку. Среднее содержание ценных компонентов в техногенном сырье будет определять технологическую схему целенаправленного изменения свойств складируемых отходов.
Химическая стойкость сырья будет выражаться степенью его активности к химическому взаимодействию с реагентами и способностью сохранять постоянными состав и структуру материала в условиях инертной окружающей среды. Это технологическое свойство будет определяться изменением степени окисленности сырья и его растворимостью.
Перечисленные свойства будут определять характер взаимодействия материала с рабочими агентами (растворителем, теплоносителем, окислителем и др.). Наиболее благоприятным является тот состав сырья, который обеспечивает выборочное взаимодействие рабочего агента с минералами, содержащими полезные компоненты. Породообразующие минералы, взаимодействующие с рабочим агентом с образованием продуктов реакции, вызывают дополнительный его расход. Наличие минералов, взаимодействующих с рабочим агентом, может привести к серьезным осложнениям, например, к кольматации порового пространства при осуществлении процессов выщелачивания. Кроме этого, минеральный состав сырья будет определять реагентную систему и режим выщелачивания сформированного техногенного образования.
Химическая стойкость, в свою очередь, будет определять способность техногенного сырья противостоять разрушающему действию химических реагентов - кислот, щелочей, различных солей и комплексных соединений.
При изучении вещественного состава сырья требуется знание минеральных форм нахождения в нем металлов, кинетики и химизма химического взаимодействия минералов с выщелачивающими растворами, исследование влияния сопутствующих минералов, определение окислителей и других стимуляторов разложения минералов, а также установление химических реакций, обеспечивающих изменение свойств техногенного сырья в заданном направлении. Полученная таким образом информация позволяет выбрать растворитель для процесса выщелачивания ценных компонентов и подобрать оптимальный режим орошения техногенного массива.
Изучение структурных характеристик некондиционного медно- колчеданного сырья предполагает определение его, структурно-текстурных особенностей и гранулометрического состава.
Текстура техногенного сырья обусловлена размером, формой и характером связи между минеральными агрегатами. Основным элементом текстуры является минеральный агрегат, который представляет собой сближенную совокупность минеральных зерен. Под структурой же понимаются характеристики, определяемые размером, формой и характером срастания минеральных зерен. Основным элементом структуры является зерно. Структурно-текстурные особенности сырья обладают большим разнообразием. По характеру влияния на процесс целенаправленного складирования отходов с возможностью дальнейшего их вовлечения в переработку было решено все многообразие структур и текстур разделить на две группы: благоприятные и не благоприятные для выщелачивания.
Благоприятные текстуры характеризуются крупными размерами минеральных скоплений, достаточно однородным строением, простыми и четкими границами между агрегатами. Для таких текстур особенно эффективны процессы рудоподготовки и дальнейшее их выщелачивание. Неблагоприятные текстуры характеризуются большими минеральными скоплениями, неоднородным строением агрегатов, сложными и постепенно изменяющимися границами между ними. Материал с такими текстурами всегда требует сложных, многостадийных процессов рудоподготовки. В целом можно отметить, что чем ярче проявлена текстура, значительней размеры ее агрегатов, выше в них содержание полезных компонентов, резче границы с вмещающей породой, тем больше контрастность материала и соответственно лучше показатели его переработки.
К благоприятным относят структуры с крупными зернами, однородным их строением, простыми формами, прямыми или слабо волнистыми границами срастания, с наличием открытых трещин или трещин, заполненных растворимыми минералами. Благоприятные структуры обеспечивают достаточно полное раскрытие зерен минералов и, как следствие, хорошие показатели его переработки.
Кроме этого, структура и текстура техногенного сырья также оказывает значительное влияние на устойчивость и прочность горных конструкций. Наиболее прочны и устойчивы породы, имеющие полнокристаллическую, равномерно-среднезернистую или мелкозернистую структуры. Породы крупнозернистые более податливы к разрушению, как при механическом воздействии, так и при резких изменениях температуры. Породы массивного сложения, массивной текстуры обычно отличаются большей устойчивостью против выветривания и меньшей анизотропией в отношении механических свойств. Породы слоистые, сланцеватые или беспорядочной текстурой легче разрушаются при выветривании и воздействии внешних усилий.
Гранулометрический состав также является значимой характеристикой техногенного сырья, характеризующий их дисперсность. Именно гранулометрический состав будет определять фильтрационные свойства уложенной в штабель выщелачиваемой сырьевой массы. Данные показатели являются одними из основных характеристик физико-химической геотехнологии, определяющими ее эффективность.
Как правило, руды или техногенное минеральное сырье, пригодное для выщелачивания, находятся в окисленной форме. В зависимости от комплексов, в которых удерживаются извлекаемые металлы, руда требует такого измельчения, чтобы частицы металлов могли контактировать с раствором и эффективно переходить в жидкую фазу.
С другой стороны, должна быть обеспечена вполне приемлемая просачиваемость растворов через штабель, определяющая скорость извлечения металла. С этих позиций диапазон поступающих на выщелачивание руд весьма велик: от материала забойной крупности (100 мм и более), получаемого при карьерной добыче, до тонкоизмельченных хвостов флотации крупностью -0,074 мм (90 %). Очевидно, что в первом случае при хорошей фильтрации растворов извлечение металла может быть неприемлемым; во втором случае возможно отсутствие какой-либо фильтрации растворителя через отсыпанный штабель. Вероятен и такой вариант, при котором оптимальный размер частиц ведет к существенному снижению проницаемости. В этом случае следует искать компромиссное решение. Для каждого формируемого объекта необходимо выявлять свой перечень факторов, в различной степени влияющих на эффективность процесса добычи. В ряде случаев для обеспечения успеха применения геоте;х- нологических методов необходимо осуществить технические мероприятия, которые позволят управлять теми или другими свойствами полезных ископаемых и вмещающих пород.
Таким образом, стоит подвести итог, что создание эффективных технологических схем складирования некондиционного медно-колчеданного сырья невозможно без предварительного достаточно глубокого изучения физико-механических, химических и технологических свойств и установления всей суммы влияющих технологических параметров. В этой связи одной из важнейших задач является разработка способов и схем искусственного изменения технологических свойств складируемых отходов производства. Проектирование технологических схем должно осуществляться на основе выявления степени влияния каждого фактора на конкретную технологическую схему и нахождение их качественной и количественной оценки.
Изучение структурных характеристик тёхногенных массивов, представленных поризованными хвостами обогащения руд
Следует отметить, что получение поризованных пульп и массивов является новым направлением в процессах подготовки техногенных образований для будущей эксплуатации. Поэтому в лаборатории закладки выработанного пространства МГТУ им. Г.И. Носова были проведены лабораторные исследования технологического процесса получения поризованных пульп и формирования из них техногенных массивов. Исследования были направлены на оценку возможности и целесообразности формирования техногенных месторождений такого типа, при этом изучались физико-механические и структурные свойства поризованной пульпы и массивов, осуществлялся поиск эффективного и доступного пенообразователя, способного формировать в поризуемом массиве необходимое внутреннее строение для эффективной последующей эксплуатации.
Характеристики поризованных массивов напрямую зависят от структуры поризованных пульп, на основе которых формируется непосредственно массив. Следовательно, для обоснования способов подготовки техногенного сырья с рациональными эксплуатационными характеристиками необходимо изучать все факторы, влияющие на формирование структуры поризованного техногенного образования, и в дальнейшем эффективно управлять ими.
Структура поризованных техногенных массивов, в первую очередь, будет определяться особыми свойствами пены, получаемой из специальных веществ, носящих название пенообразователей. Назначением пены является образование ячеистого скелета, который служит основанием для получения затем поризованной структуры сформированного массива такого же ячеистого строения, как и сама пена. Большое количество пустот, в основном сферической формы, равномерно распределяющихся по объему материала, придают поризованному массиву ряд ценных эксплуатационных свойств, делающих возможным вовлечение техногенных образований в дальнейшую эксплуатацию.
Проведенными теоретическими исследованиями выяснено [9,37,53], что общая пористость материала с ячеистой структурой образуется из ячеистой пористости (макропористости) и пористости межпоровых перегородок (микропористости). На долю ячеистой пористости приходится примерно 90% от общего его объема. Характер ячеистой пористости определяется пространственным расположением пор (упаковкой), распределением пор по размерам, максимальным и средним размером пор, их формой, толщиной межпоровых перегородок.
Кроме этого, установлено, что на формирование макроструктуры и, следовательно, свойств материала оказывают влияние параметры вспенивания и минерализации, а именно свойства растворов пенообразователей, свойства вспениваемых материалов, режимы пенообразования и минерализации.
Межпоровые перегородки в материале с ячеистой структурой должны быть не только тонкими, но и равными между собой по толщине. Различие межпоровых перегородок по толщине существенно снижает прочность материала. Разрушение наиболее тонких перегородок влечет за собой перераспределение нагрузок на оставшиеся более прочные перегородки. Поэтому чем больше различия в толщине межпоровых перегородок, тем значительнее недобор прочности материалом при прочих равных условиях.
В зависимости от условий формирования ячеистой структуры, припоровый слой может быть более рыхлым, чем основной материал межпоровой перегородки, равнопрочным, или более плотным и прочным. В последнем случае припоровый слой выполняет роль подкрепляющей зоны. Рыхлый же припоровый слой ослабляет сечение межпоровой перегородки.
Необходимо отметить то, что поризованные массивы на основе хвостов обогащения формируются с целью их дальнейшего эффективного вовлечения в эксплуатацию физико-химическими геотехнологиями. Исходя из этого, формируемый массив должен обладать фильтрационными свойствами, обеспечивающими проницаемость раствора вглубь массива для обеспечения его контакта с ценными компонентами. Поэтому ячеистая структура поризованного массива должна характеризоваться наличием открытых пор, взаимодействующих между собой, одновременно отвечая требованиям устойчивости и прочности, предъявляемым к формируемому массиву.
Таким образом, для техногенных массивов, представленных поризованными хвостами обогащения руд, рациональной ячеистой структурой следует считать равномерно распределенную, в виде полидисперсных открытых и сообщающихся между собой пор, с прочной поверхностью припоровых слоев, разделенных тонкими плотными, одинаковыми по сечению межпоровыми перегородками.
Процессы структурообразования, обеспечивающие комплекс необходимых свойств для поризации массивов, сложенных тонкодисперсным материалом, обусловлены, в первую очередь, свойствами пенообразователя и получаемой на его основе пены. Получение пены с заданным комплексом свойств - одна из наиболее важных задач при формировании поризованных массивов. Так как пена и утилизируемая пульпа смешиваются совместна в мешалках, а данная смесь затвердевает не сразу, то пена должна обладать особыми свойствами. Во-первых, она должна быть достаточно упругой, чтобы не быть раздавленной тяжелой пульпой на основе хвостов обогащения и, во-вторых, - достаточно устойчивой против химического воздействия связующих компонентов.
Выбор пенообразователя будет обусловливать как технологию поризации пульпы, так и технологические и эксплуатационные характеристики сформированных массивов. Различные свойства пены по- разному влияют на структуру образования, формирования и твердения поризованной пульпы. Для оценки качества пенообразующих растворов и приготовленных из них пен в промышленности применяют разные критерии. Для формирования техногенных массивов из поризованных пульп были выделены следующие, наиболее значимые, параметры пены: - кратность - отношение первоначального объема пены, к объему раствора пенообразователя затраченного на её получение; - стабильность - время распада единицы объема пены за единицу времени; - дисперсность - величина, характеризующая средний размер пузырьков и их распределение по объему пены. Чем меньше пузырьки, тем более дисперсна пена, при большом размере ячеек пену называют грубодисперсной. - структурно-механические свойства - способность определенное время сохранять первоначальную форму; - несущая способность - способность пузырьков пены без разрушения удерживать на своей поверхности определенное количество твердых веществ; - совместимость пены с другими компонентами, входящими в состав утилизируемой смеси.
Результаты исследований и анализ данных технической литературы [89] показали, что характер структурного строения и технологические свойства пены меняются вместе с ростом ее объемной кратности. При этом формируются условно три основные разновидности пеноструктуры (рис. 3.8). Соответственно и поризуемая пульпа будет наследовать подобную изменчивость своих характеристик в зависимости от характеристик пены.
Технологические рекомендации по складированию текущих хвостов Бурибаевской обогатительной фабрики
Для ускорения обезвоживания хвостов и улучшения качества вытекающего слива, а также получения большей концентрации твердого осадка внутри трубы целесообразно обеспечить подачу флокулянта. Введение в исходную пульпу флокулянта должно осуществляться как можно ближе к точке входа напорной трубы в контейнер, но на расстоянии, обеспечивающем полноценное смешивание полимера и суспензии для образования хлопьев. Смешиапие может происходить различными способами, по одним из самых простых является пропуск смеси через 8-образную трубу с несколькими изгибами. В конце Э-образной трубы должен находиться кран для периодического отбора образцов смеси и последующей проверки качества смешения, хлопьеобразования с возможностью корректировки дозы полимера.
В случае, если формирование техногенного месторождения предусматривает одновременное наполнение нескольких контейнеров, возможно устройство разводной системы напорных груб для распределения пульпы одновременно в несколько геотубов или в каждый по очереди. Для облегчения движения пульпы по трубам, разводная система должна быть спроектирована с использованием Т- и У-образпых соединений.
После завершения всех подготовительных рабо т осуществляется подача пульпы в напорный трубопровод технологического комплекса и непосредственно в подготовленные геотубы. Заполнение емкостей происходит за 3-5 операций с периодами ожидания или в непрерывном режиме иодачи текущих хвостов обогащения (рис. 3.22).
Данная технология дает возможность складировать обезвоженный материал в виде высокопрочных конструкций, возводить высокие полигоны при минимальном изъятии земель, исключить пыление дисперсных отходов обогащения при высыхании и снизить экологическую нагрузку па промплощадки горно-обогатительных предприятий, а также способствует формированию рекреационных ландшафтов.
Горнотехническая система складирования техногенного сырья для длительного хранения с сохранением его качества 1- заполненный геотекстильный контейнер; 2- контейнер в режиме заполнения; гидроизоляционное основание; 3- погрузчик; 5- сборная канава оборотной воды; 5 - обогатительная фабрика; 6-лульпопровод; 7,8- комплекс подготовки отходов обогащения для кучного выщелачивания; 9- штабель кучного выщелачивания; 10- прудок для сбора продуктивных растворов; 11, 12, 13- комплекс подготовки отходов добычи для кучного выщелачивания.
Для моделирования условий, близких к реальному процессу складирования текущих хвостов обогащения в емкости из геотекстиля, был собран макет, представленный на рисунке 3.23. В емкость из геотекстиля о объемом 5дм" подавались текущие хвосты обогащения с содержанием твердого 20% без и с добавлением флокулянта. Подача пульпы осуществлялась через трубу, присоединенную с помощью фланца к центру контейнера.
В контейнер было залито 40 кг хвостов, выброс твердых частиц из мешка составил 1800 гр. (4,5%). Хвосты в течение суток находились в контейнере, после чего макет был разобран, а обезвоженный материал извлечен (рис. 3.24). Влажность обезвоженных хвостов составила 15 %.
Предлагаемая технология, являясь экологически чистым энергосберегающим способом обезвоживания жидких отходов, в перспективе он может стать альтернативой аппаратным методам обезвоживания хвостов на обогатительных фабриках. Внешний вид обезвоженных хвостов приведен на рис. 3.24.
Данная технология позволяет складировать обезвоженный материал в конструкции повышенной высоты, возводить высоконагружаемые полигоны, сохранять качество складирования техногенного сырья, позволяет исключить потери ценных компонентов и предотвратить пыление дисперсных отходов обогащения при высыхании, снизить экологическую нагрузку на промплощадки горно-обогатительных предприятий и способствует формированию рекреационных ландшафтов.
На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований, представленных в предыдущих главах, показана необходимость и реальная возможность вовлечения в промышленную эксплуатацию отходов переработки медно-колчеданных руд с извлечением из них ценных компонентов. Установлено, что эффективное использование техногенного сырья невозможно без его предварительной подготовки, достигаемой путем придания ему требуемых технологических свойств.
Необходимо учитывать, что обоснование параметров технологий подготовки некондиционного сырья к последующему использованию необходимо осуществлять на начальных стадиях проектирования комплексного освоения рудных месторождений [73,95]. Исходя из этого, проблема выбора эффективного способа подготовки техногенного сырья к последующей эксплуатации обуславливает необходимость разработки алгоритма, использование которого позволяет осуществить обоснованный выбор технологических схем подготовки отходов к последующему использованию.
Представленный на рис. 4.1 алгоритм позволяет оценить эффективность того или иного способа формирования техногенного образования, его результативность, а также сравнить возможные варианты изменения технологических свойств отходов и выбрать наиболее целесообразные способы подготовки техногенного сырья с учетом конкретных горнотехнических условий предприятия.
В соответствии с алгоритмом выбор эффективного способа подготовки техногенных отходов следует начинать с изучения совокупности их физико- механических свойств, вещественного состава и характеристик структуры. Перечисленные свойства оказывают ключевое влияние на технологические характеристики складируемого сырья. Их изучение и управление ими является исключительно важной геотехнологической задачей, как на стадиях разработки способов изменения технологических свойств, так и в процессе эксплуатации некондиционного сырья.
