Введение к работе
Существенный рост производительности труда в горнодобывающей промышленности может быть достигнут при резком сокращении её капиталоемкости, сокращении числа операций, автоматизации производства, организации поточного процесса добычи, соединении процесса выемки руды с её первичной переработкой.Такие возможности открывают геотехнологические методы добычи металлов, основанные на соединении в недрах операций по добыче, обогащению и переделу полезных ископаемых.
В прогнозных экономических проработках Сибирь рассматривается как основной поставщик цветных, редких и благородных металлов. Поэтому, обсуждая перспективы внедрения в отечественную производственную практику экологически чистых и экономически" выгодных геотехнологических методов добычи металлов, нельзя обойти вниманием Сибирский регион. Однако, Сибирь характеризуется широким распространением многолетней мерзлоты и отрицательными среднегодовыми температурами, в то время как практически весь мировой опыт в области геотехнологии относится к районам с теплым климатом. Согласно результатам обращения (в 1988 г.) к иностранным библиографическим базам данных ( Georef и др.) публикации, касающиеся промышленного выщелачивания цветных металлов в условиях мерзлоты, в мировой литературе отсутствуют.
Вместе с тем, обширный фактический материал, накопленный за последние 30 лет геохимиками-мерзлотоведами, свидетельствует о том, что .процессы химического выветривания в зоне мерзлоты протекают весьма интенсивно, причем некоторые химические элементы в том числе ценные металлы здесь становятся более подвижными, чем в гумидном климате.
Процессы искусственного выщелачивания при геотехнологичес -кой добыче металлов по своей физико-химической сущности аналогичны процессам естественного выщелачивания в корах выветривания и зонах окисления Шопова,1970; Птицын, Сысоева,1985,1988; Кани-щев,Спирин,1989), поэтому полученные геохимиками данные о составе природных вод, формах и концентрациях в них металлов, динамике выщелачивания руд и пород растворами различного состава, скоростях и масштабах миграции металлов в свободных и поровых растворах и т.д. в сочетании с теоретическими физико-химическими
исследованиями и моделированием процессов выщелачивания руд могут служить основой для разработки геотехнологических схем добычи различных металлов.
Таким образом, актуальность темы диссертационной работы определяется практически полным отсутствием теоретической базы для использования геотехнологических методов добычи металлов в районах с многолетней мерзлотой, а также тем, что до сих пор не было сделано комплексного обобщения полевых, экспериментальных и теоретических исследований по гидрогеохимии зоны криогенеза.
Целью настоящего исследования является обобщение данных по гидрогеохимии зоны криогенеза и создание на этой базе физико-химических основ для разработки геотехнологических способов добычи металлов в условиях отрицательных температур.
Соответственно, задачами работы, с учетом имеющегося опыта по геотехнологическим исследованиям (Грабовников, 1983), являются:
выбор прототипа технологического процесса;
разработка математических моделей процесса выщелачивания руд и численные эксперименты на ЭВМ; .
физическое моделирование процессов морозного выщелачивания руд;
анализ физико-химических процессов в системе "вода-руда (порода)" при отрицательной температуре.
В результате решения этих задач появляется возможность распространения известных и широко применяемых в мире геотехнологических методов добычи металлов на новые условия (зону многолетней мерзлоты).
В основу работы положен большой и надежный фактический материал:
опубликованные данные по геохимии зоны криогенеза (75 печатных работ, в том числе 14 монографий);
собственные данные по минералогии и геохимии Удоканского медного месторождения, полученные за четыре полевых сезона совместно с к.г.-м.н.Е.И.Сысоевой;
результаты собственных термодинамических расчетов полей устойчивости минералов меди, форм меди в растворах, растворимости медных минералов в зависимости от рН и т.д.;
результаты численных экспериментов на ЭВМ, выполненных
к.ф.-м.н. А.А.Игнатовым по совместно разработанным математическим моделям процесса выщелачивания руд;'
- результаты более чем 250 физических (лабораторных) экс
периментов- по выщелачиванию медных руд при полон^ительных и от -
рицательных температурах различными растворами, выполненных
к.г.-м.н.Е.И.Сысоевой под руководством автора;
результаты серии экспериментов по выщелачиванию медно-по-лиметаллических руд, вьшолненные Н.В.Максимовой под руководством автора;
результаты поисковых экспериментов по бактериальному выщелачиванию медных руд, выполненных Н.А.Трифоновой /и её сотрудниками по инициативе и по программе'автора;
результаты экспериментального изучения поведения ртути в системах "вода-порода" и "вода-почва", полученные как лично автором, так и Н.М.Леминой под его руководством.
Методология- работы состояла в познании общей картины путем обобщения частных зависимостей с использованием нескольких независимых методов исследований: полевых наблвдений, теоретического анализа на основе термодинамики, математического и физического моделирования. Только совокупность названных методов, обработанная и осмысленная на базе фундаментальных положений геохимии, термодинамики, теории поверхностных явлений, химической кинетики, математического моделирования и реотехнологии, обеспечивает получение надежных в научном отношении и доказательных результатов.
В работе защищаются следующие научные результаты и положения:
I. Основным научным результатом является обобщение накопленных знаний по гидрогеохимии зоны крйогенеза, представляющее собой научную базу для использования геотехнологических методов добычи металлов в областях распространения многолетней мерзлоты и включающее физико-химические аспекты-, касающиеся:
строения криогенной системы "вода-порода";
термодинамики водных пленок;
поверхностных явлений;
криогенных процессов в растворах электролитов;
криогенных процессов в дисперсной системе "вода-порода";
растворения минеральных веществ в криогенных условиях;
процессов переноса'(миграции) вещества в мерзлых породах;
подвижности химических элементов в зоне криогенеза.
-
Весь комплекс полученных данных свидетельствует о том, что в системе "руда-водный раствор" при отрицательной температуре имеются необходимые условия для реализации процесса искусственного выщелачивания руд и геотехнологические методы (подземное и кучное выщелачивание) могут использоваться в районах с многолетней мерзлотой для добычи меди, золота, серебра, висмута, бериллия и других металлов.
-
Полученные экспериментальные данные в сочетании с результатами анализа опубликованных полевых наблюдений дают право утверждать, что в районах развития многолетней мерзлоты принципиально возможно создание искусственных скоплений высокоминерализованных растворов различной металлогенической специализации.
Новизна работы состоит в систематизации имеющихся знаний по гидрогеохимии зоны криогенеза и идее их использования в качестве научной базы для разработки геотехнологических методов добычи металлов в районах распространения многолетней мерзлоты.Обо-снования целесообразности научных исследований процессов морозного выщелачивания руд, которое может быть названо криогеотехноло-гией, прошли апробацию на разных совещаниях. Впервые проведено многоплановое экспериментальное исследование процессов выщелачивания руд при отрицательной температуре на примере медных руд Удоканского месторождения. Разработано несколько вариантов детерминированных математических моделей выщелачивания удоканских руд, в том числе модель, учитывающая полиминеральность руды,формирование переменной во времени и в пространстве пористости руды,отло -жение промежуточных продуктов реакций, нелинейное влияние на ки -нетику растворения физико-химических параметров (теплового режи~ ма, рН, растворимости минералов и т.д.). По разработанньм моделям проведены численные эксперименты на ЭВМ, показавшие хорошую сходимость с результатами физических лабораторных экспериментов.
Практическая значимость выполненной работы состоит в том, что полученный комплекс закономерностей и теоретических положений:
- дополняет и систематизирует познания в области геохимии
зоны криогенеза и может быть использован в поисковой геохимии и
инженерной геологии;
является научной базой, для разработки методов геотехнологической добычи металлов из мерзлых пород и руд - новой для гёо-технологии сферы деятельности;
может быть использован при геоэкологических прогнозах и выработке природоохранных мер в районах с многолетней мерзлотой.
Апробация работы и публикации. Результаты и положения работы докладывались и обсуждались на 13 Всесоюзных конференциях (Киев,1983; Люберцы,1983; Москва,1984; Новосибирск,1985Красноярск, 1985; Благовещенск,1985; Новосибирск,1985; Томск,198б;Мо-сква,1988; Ленинград, 1989; Черноголовка, 1989; Улан-Удэ, 1990Челябинск, 1990), а также на целом ряде региональных совещаний и семинаров.
Из 70 печатных работ автора 31 посвящена теме диссертации, в том числе монография "Геохимические основы геотехнологии металлов в условиях мерзлоты".
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Объем работы 225 машинописных страниц,в том числе 53 рисунка, 25 таблиц и список литературы из 185 наименований.
