Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы. Цель и задачи исследований 12
1.1 Горно-геологическая и горно-техническая характеристика полиметаллических руд Северного Кавказа 12
1.2. Современные геотехнологии, применяемые на рудниках Северного Кавказа 34
1.3. Анализ научных и организационных исследований в области физико-химических геотехнологий 56
1.4. Цель, задачи и методика исследований 67
2. Анализ состояния техногенной сырьевой базы на полиметаллических месторождениях Северного Кавказа 69
2.1. Техногенные образования, сложившиеся на рудниках Северного Кавказа 69
2.2. Обоснование путей ресурсовоспроизводства минерального сырья в литосфере 70
2.3. Изучение возможности перераспределения минералов в техногенном сырье для физико-химической технологии 77
2.4. Исследование природного выщелачивания металлов 87
2.5. Изучение параметров природного выщелачивания металлов из техногенного сырья 98
. 2.6. Исследование процессов осаждения металлов при образовании техногенного сырья 99
2.7. Выводы по главе 2 106
3. Обоснование организации геотехнологии техногенного сырья при доработке полиметаллических месторождений Северного Кавказа ... 107
3.1. Обоснование критериев выбора технологий доработки рудных месторождений Северного Кавказа 107
3.2. Методика выбора геотехнологии доработки рудных месторождений Северного Кавказа 108
3.3. Анализ факторов, определяющих проницаемость горных пород 114
3.4. Оценка способов обеспечения проницаемости выщелачиваемого объекта 131
3.5. Выводы по главе 3 164
4. Организационные основы физико-химической геотехнологии доизвлечения металлов из геогенных и техногенных месторождений Северного Кавказа 166
4.1. Обоснование целесообразности применения промышленного выщелачивания металлов из техногенного сырья 166
4.2. Экспериментальные исследования по выщелачиванию полиметаллических и вольфрамо-молибденовых руд 169
4.3. Исследование процесса агломерации шламов 182
4.4. Обоснование геотехнологий полиметаллических месторождений при переходе на физико-химические способы доизвлечения металлов из техногенного сырья 186
4.5. Выводы по главе 4 204
5. Оценка геоэкологической обстановки при доработке полиметаллических месторождений Северного Кавказа 205
5.1. Оценка загрязнения окружающей среды горнорудными предприятиями Северного Кавказа 205
5.2. Анализ опыта промышленного получения металлов из рудных вод 218
5.3. Разработка технологий извлечения оставшихся металлов из жидких отходов горного комплекса Северного Кавказа 222
5.4. Разработка технологии глубокой очистки металлосодержащих стоков на мембранных фильтрах 240
5.5. Оценка влияния горной промышленности на нагорные экосистемы Северного Кавказа 246
5.6. Выводы по главе 5 252
6. Экономическая оценка способов разработки месторождений 254
6.1. Критерии оценки экономической эффективности 254
6.1.1. Методическая оценка эффективности базового варианта разработки 256
6.1.2. Методическая оценка эффективности геотехнологий
6.2. Экономическая эффективность разработки месторождений 261
6.3. Выводы по главе 6 264
Заключение 266
Литература
- Анализ научных и организационных исследований в области физико-химических геотехнологий
- Изучение возможности перераспределения минералов в техногенном сырье для физико-химической технологии
- Оценка способов обеспечения проницаемости выщелачиваемого объекта
- Экспериментальные исследования по выщелачиванию полиметаллических и вольфрамо-молибденовых руд
Анализ научных и организационных исследований в области физико-химических геотехнологий
Структуры общекавказского простирания, за счет чередования горстан-тиклинальных поднятий и грабенсинклинальных прогибов, обуславливают клавишное строение кристаллического фундамента. На территории Северной Осетии они представлены Северо-Кавказской моноклиналью, Балкаро-Дигорским поднятием, Штулез-Харессной депрессией, Центральным поднятием и Южным крылом Садоно-Унальской горстантиклинали.
Непосредственно полиметаллические месторождения Северной Осетии находятся в пределах Балкаро-Дигорского поднятия, сформированного последовательно сменяющимися Балкаро-Дигорским горстом, Садоно-Унальской и Фиагдонской горстантиклиналями, а также разделяющими их прогибами. Садоно-Унальская горстантиклиналь (главная структурная единица этого региона) сложена кристаллическими породами в ядре и вулканогенными отложениями на крыльях. Оба крыла антиклинали заканчиваются разломами, в которых и локализуется полиметаллическое оруденение.
Наиболее древние породы данного региона представлены кристаллическими сланцами и гнейсами докембрия. Среди осадочных образований преобладают юрские отложения. В основании пород юрского периода залегают породы осетинской свиты, широко проявленные вдоль северного крыла и осевой части Садоно-Унальской антиклинали, состоящие из толщ конгломератов, песчаников, углистых сланцев, альбитизированных андезитовых и дацитовых порфиритов, туфов, туффитов, а также других вулканогенно-оса-дочных пород. Мощность осетинской свиты составляет 360 - 460 м, а возраст соответствует нижнему и среднему лейасу.
Породы магматического комплекса этого района относятся к палеозойской и юрской фазам магматизма. Первая представлена гранитами в брахиан-тиклинальных поднятиях (обнажения в долинах р. Ардон, Садон, Архон и Уналдон). Преобладают зернистые граниты, состоящие из калиевых полевых шпатов (30%), плагиоклазов (12 - 5%), биотитов (58%) и мусковитов (менее 1%). Из вторичных минералов отмечаются серицит, лейкоксен и хлорит. К палеозойским образованиям относятся аплиты и пегматиты (в виде редких разобщенных тел различной формы и размеров). Жилы и дайки апли-тов имеют четкие контакты с вмещающими гранитами и ориентированы в северо-восточном или северо-западном направлениях. Мощность этих жил не превышает 0,5-4,0 м, а протяженность 100 м. Пегматитовые поля сложены полевым шпатом, кварцем и мусковитом. Контакты с вмещающими породами не четкие, с постепенными переходами в средние и мелкозернистые граниты.
Породы юрского возраста представлены лавами и туфами, а также осадками морских и континентальных фаций, относящихся к осетинской свите. Наиболее часто развиты нормальные лавы, покровные порфириты (альбито-фиры). В составе порфиритов преобладают плагиоклазы (преимущественно кислого состава), реже роговая обманка, биотит, карбонаты. Туфы, туффиты, туфобрекчии и туфопесчаники образуют линзовидные тела, невыдержанные по мощности и составу.
К образованиям юрского вулканизма относятся и немногочисленные дайки кварцевых альбитофиров значительной (до 30 м) мощности и средним (до 300 м) простиранием. Порода состоит из порфировидных вкрапленников серитизированного альбита, мелкозернистого кварца и кислого плагиоклаза.
Главными рудовмещающими породами в границах Садонской геологической провинции являются граниты, покровные порфириты и кристаллические сланцы докембрия. В гранитах развиты дайки кварцевых альбитофиров, что предопределяет значение гранитов в качестве основных рудовме-щающих пород. Значительно реже полиметаллические рудопроявления локализуются в нижнеюрской песчано-глинистой толще.
Садонский рудный район, несмотря на существенные различия в строении, представляет собой единую горно-геологическую провинцию. Его площадь ограничивается на западе Кионским перевалом, на востоке рекой Знал-дон. Южная граница проходит по гребню Главного хребта, северная по южным склонам Скалистого хребта. Месторождения Садонской геологической провинции, включая Какадур-Ханикомское, образуют полосу шириной 6 км и длиной более 60 км (от Тменикау до Мацуты). Выделяют Згидское, Садон-ское, Буронское, Архонское и Холстинское рудные поля.
Большинство месторождений Садонской провинции приурочены к южному крылу и осевой части Садоно-Унальской антиклинали. Собственно на Садонском рудном поле полиметаллы локализуются в пределах разлома мощностью от первых десятков до 100 м и более. Рудные жилы по отношению к зоне разлома залегают в диагональных трещинах с простиранием 45-50.
Руды полиметаллических месторождений Садонского района характеризуются сравнительно сходным составом и парагенетическими ассоциациями главных минералов [176]. Они полиминеральные, среднезернистые с неравномерным распределением промышленных минералов, прорастаниями и микротрещинами наследственных деформаций. Некоторые их отличия состоят в различном количественном соотношении типоморфных и редких минералов. Руды представляют собой полиметаллические образования, содержащие Pb, Zn, Cd, Си, In, Ag, Vi, Au и другие металлы.
Из рудных минералов превалируют сфалерит, галенит, пирит, марказит, мельниковит, пирротин, халькопирит, арсенопирит и блеклая руда, реже встречаются магнетит, мушкетовит, галеновисмутин, пираргирит, аргентит, джемсонит, халькозин, бурнолит, самородный висмут, серебро, золото и мышьяк. Распространенная на Садонском месторождении цинковая обманка встречается в виде мормонита и клейофана. Кроме этого, возможны различные формы соединений каламина и гидроцинката [174]. Из жильных минералов доминируют кварц, хлорит и кальцит; барит, сидерит, анкерит, родохрозит и адуляр отмечаются в ограниченных количествах.
Изучение возможности перераспределения минералов в техногенном сырье для физико-химической технологии
Так, с 1969 по 1974 гг. на Левобережном месторождении было добыто 12757 т полиметаллической руды со средним содержанием свинца 1,0% и А цинка 2,0-6,0%. Одновременно в выработанном пространстве заложено 893 т руды, содержащей 9,2 т свинца и 23 т цинка. При полной отработке имеющихся на месторождении минеральных запасов величина подобных потерь прогнозируется следующими показателями: руды 55 тыс.т, свинца до 1000 т, цинка до 2000 т.
Урупское месторождение, эксплуатируется совместно с Власичихинским месторождением, с 1968 г. [181, 182]. Его вскрытие было осуществлено несколькими стволами шахт. За время разработки здесь в подавляющем (95%) большинстве применялись технологии добычи с естественным управлением горным массивом (рис. 1.18).
Так, система разработки подэтажными штреками (около 1/3 по объему добычи за пределами охранных целиков) была использована преимущественно на флангах месторождения, на участках с углами падения 50 и мощностью 2-4 м. Для этого эксплуатационный блок разбивали на подэтажи, которые обрабатывали сверху вниз. Размеры выемочного блока: длина 40-50 м, высота 50-60 м. Площадь обнажения пород составляла до 1200 м2.
В дальнейшем на Урупском месторождении в качестве основной системы разработки применяли камерностолбовую с регулярными целиками. Согласно этой системы разработки эксплуатационный блок готовился штреками и наклонными восстающими по медно-колчеданной руде. Камерные запасы отрабатывали с оставлением целиков размерами 3x3 м на расстоянии 6-12 м друг от друга. Принятая ширина камер 12-15 м не обеспечивала сохранности горного массива, а ее сокращение до 6м резко увеличивало потери и разубоживание до 23,4% и 21,5%, соответственно.
Недостатками данной технологии являлось также: оставление значительного количества медно-колчеданной руды в целиках, в результате чего потери руды при добыче превышают 20-25%; трудоемкость горных работ по управлению массивом пород; повышенная опасность горных работ при дестабилизации геомеханики массива. В дальнейшем на Урупском руднике была принята система разработки со взрывной доставкой руды. Для этого, выемочный блок, подготовленный вентиляционным и откаточным рудными штреками и блоковыми восстающими, разбивался по простиранию на 2-3 камеры, отрабатываемые одновременно. Для сохранения восстающих оставляли целики шириной 4 м с каждой стороны. Данный вариант обеспечивал определенное уменьшение потерь, а также снижение себестоимости добычи в 1,5 раза и увеличивал производительность труда до 45 т/смену.
Промышленная эксплуатация Тырныаузского месторождения была начата в 1940 г. До 1968 г. запасы этого месторождения отрабатывали подземным способом, а затем - комбинированной технологией разработки: верхнюю часть - карьерами "Высотный" и "Мукуланский", нижнюю - рудником "Молибден" [201]. На руднике применялась система разработки с отбойкой минными зарядами при увеличенной высоте этажа. Параметры эксплуатационного блока: высота около 200 м, ширина более 100 м, обнажение висячего бока на площади до 15 тыс.м2. Нижнюю часть блока отрабатывали глубокими скважинами, а в верхней его части руду отбивали минными зарядами (рис. 1.19).
В дальнейшем использовалась система подэтажных штреков с отбойкой глубокими скважинами от середины к границам эксплуатационных блоков. При применении системы этажного принудительного обрушения с одностадийной выемкой, рудное тело разделяли на панели высотой 75 м, шириной 30-35 м, длиной до 100 м. Запасы руды в панели составляли до 800 тыс.т. Руда отбивалась горизонтальными слоями высотой до 12м с запасами до 50 тыс.т. Первый слой отбивали на компенсационное пространство, образованное подсечкой рудовыпускными воронками (17-25% по объему).
Последующие слои отбивали на пространство, образуемое выпуском ру-ды. Площадь подсечки составляла 1200 м . Вариант скважинной отбойки использовался для мощных скарновых и роговиковых вольфрамо-молибде-новых рудных тел.
Широкое применение комбинированных технологий разработки Тыр-ныаузского месторождения в сочетании с естественным управлением состоянием горного массива обусловило необратимые деформации последнего (рис. 1.20). Выход зоны обрушения до отметок карьера привел к образованию воронок, оползней и обрушений [31, 64, 198]. Количество воронок с диаметром до 40м превышает на месторождении 120. Наиболее крупный из оползней объемом 4 млн.м3 на площади 10 га произошел между отм. 2725 и 2510 м в 1976 г. Тогда в зону обрушения попало основание откоса карьера и борт пришел в движение. Объем сдвигающегося массива, в котором была распо-ложена часть подземных выработок, оценивался в 15 млн.м .
Зона влияния очистных работ включает в себя со стороны лежачего бока подзону опорного давления шириной 20-50 м и подзону разгрузки шириной до 15 м. Со стороны висячего бока выделяются зоны обрушения, воронкооб-разования и активного движения.
В последствие на руднике получила распространение система разработки камерами с сухой закладкой выработанного пространства. Ширина камер составляла 50-60 м, пролет обнажения висячего бока не более 90 м, ширина междукамерных целиков - 30 м. Боковые стенки наклонены под углом 85. Пустоты заполняли сухой закладкой, подаваемой с поверхности и уплот
Оценка способов обеспечения проницаемости выщелачиваемого объекта
Для практического осуществления технологии ресурсовоспроизводства кроме гидродинамического целесообразно использование и физико-химических барьеров. В данном случае возможны два принципиальных варианта — образование (или усиление имеющихся возможностей) в горном массиве техногенных геохимических барьеров (например, закачкой через скважины растворов с определенными веществами) или техногенное смешение растворов, предварительно пропускаемых через зоны месторождения с резко различными свойствами и содержанием металлов. Последний вариант наиболее целесообразен при осуществлении воспроиз водства минеральных ресурсов на сложноструктурных месторождениях по лезных ископаемых.
Например, при наличии переслаивания контрастно различающихся по составу (а, следовательно, и по свойствам) пород — сульфидов и карбонатов, кислых и основных гнейсов и сланцев, графит— и пиритсодержащих сланцев и т.д.
Так, при прохождении растворов активных агентов через U—РЬ—содержащие (0,005%) лейкократовые безуглеродистые породы происходит их насыщение находящимся там ураном и свинцом. Дальнейшее проникновение этих металлоносных растворов в черные углеродсодержащие сланцы (или при смешении с растворами прошедшими через них) приводит к отложению настурана (0,08%) и галенита (1,5%).
При осаждении меди на карбонатном техногенном барьере возникают новообразования в виде малахита и азурита.
Такой металл, как золото, обычно представленный в рудных месторождениях Северного Кавказа тонкой дисперсностью в сульфидах, при окислении минералов кислого ряда (гидрогетита, оксидов марганца, ярозита, лепи-докрокита и т.д.) выщелачивается растворами активных агентов (рН которых ниже 4), а затем осаждается на сорбционном барьере (каолините) — 10— 40%, щелочном барьере (кальците, алуните, монтмориллоните, гетите, гидрослюдах и т.д.) — 50—60%.
Природное выщелачивание горных массивов и отвальных геоматериалов (как одно из условий образования техногенных руд) является продолже-нием единого физико-химического процесса, происходящего в результате технологического вмешательства в недра, которому способствуют горно— геологические характеристики (гл. 1) происхождения и эксплуатации рудных месторождений Северного Кавказа.
После завершения подземной разработки в выработанном пространстве рудников протекают природные геотехнологические процессы, в результате которых рудничные воды растворяют и выносят цинк, свинец, медь, молибден или вольфрам в количествах, достаточных как для формирования техногенных руд (минеральных зон с повышенной концентрацией металлов), так и получения товарных осадков (гл. 5).
Для основных рудных элементов существуют характерные закономерности природного выщелачивания. Так, барий устойчиво выщелачивается на расстоянии до 75 м вниз по падению от уровня выклинивания жил. В над-рудной толще до 250 м по восстанию развита зона переотложения этого элемента. Для бериллия процессы протекают аналогично барию, но специфичным является смещение зон выщелачивания и переотложения вниз по вертикали. Первая просматривается по падению от уровня выклинивания жил значительно ниже (до 250м), вторая — развита не только в надрудных породах (по восстанию до 200м), но и в верхних рудных срезах. У олова и титана также происходят чередующиеся процессы естественного выщелачивания и переотложения. Аномальные концентрации хрома прослежены по вертикали не менее 300 м.
Кроме этого, металлы, содержащиеся в рудах месторождений Северного Кавказа имеют различную величину растворимости. Так, растворимость в воде халькогенидов (РЬ ) очень низкая (при температуре 25 С PbS имеет растворимость 8-Ю-13 г/кг), растворимость других минералов свинца (г/кг): карбонатов — 0,0001, хлоридов — 9,8; сульфатов — 25.
Активность физико-химических процессов природного выщелачивания прежде всего связана с гранулометрическими характеристиками заложенных в выработки техногенных руд (обусловливающими их проницаемость), которые чаще всего имеют крупность от 1 до 250 мм. В целом крупность куска до 100 мм имеют 90% потерянных руд, в которых сосредоточены основные запасы полиметаллов. Такая крупность благоприятна для проникновения выщелачивающих реагентов в глубь рудного куска.
Насыщение порового пространства в разрыхленной породе при снижении коэффициента разрыхления всего на 9% уменьшается почти в два раза, а общая смачиваемость поверхности увеличивается на 20—25%.
Экспериментальные исследования по выщелачиванию полиметаллических и вольфрамо-молибденовых руд
В настоящее время диссертантом осуществлена систематизация и оценка основных факторов, определяющих эффективность отработки как природных, так и техногенных месторождений [23, 33, 34, 92, 100]. В дальнейших исследованиях необходимо учитывать то, что обрабатываемый (выщелачиваемый) минеральный объект формируются не в отрыве, а в тесной связи с разработкой природных (геогенных) месторождений и, следовательно, все факторы в той или иной степени оказывают влияние на эффективность их формирования и последующего освоения. Но если при отработке природного месторождения мы имеем дело в большей степени с заранее заданными (не регулируемыми) условиями, то при создании техногенного объекта выщелачивания (техногенного месторождения) методы и параметры его формирования, а также последующей обработки технологическими растворами, могут определяться целенаправленно. Эти отличия накладывают существенный отпечаток на характер и степень проявления различных факторов.
Одним из главнейших показателей достижения перераспределения или промышленного выщелачивания металлов (к тому же легко подвергающийся технологическому воздействию) является проницаемость руд, в соответствии с которой руды большинства месторождений Северного Кавказа (гл. 1) могут быть высокопроницаемыми (с коэффициентом фильтрации Кф 10 м/сут) — гравелистые породы, песчаные породы и др., умеренно проницаемыми (Кф = 1-10 м/сут) — глинистые пески, некоторые алевролиты и др. и низкопроницаемыми (Кф 1,0 м/сут) — монолитные, ненарушенные породы, глинистые сланцы, глины и аргиллиты.
Многочисленные факторы, влияющие на проницаемость обрабатываемых (выщелачиваемых) минеральных объектов, делятся на следующие основные группы: геологические и гидрогеологические; горнотехнические; организационно-технологические; технические и др. К ним, в частности, относятся (рис. 3.4): условия залегания рудных тел, коллекторские свойства горных пород и минералов, их тип и структура, характер рудной минерализации, растворимость минералов, уровень содержания полезных компонентов, форма нахождения металлов в руде; физико—механические свойства горных пород, их крепость, трещиноватость, дробимость и т.д.; технология выщелачивания металлов, ее характеристики, конфигурация и структура и S WиW СҐ SX Е-1ОРчои Технология выщелачивания Растворители минералов Характеристика и параметры обрабатываемого объекта Тип и параметры оборудования =г
Тип и структура пород Характер рудной минерализации Растворимость минералов Физико-механически свойства пород 117 обрабатываемого рудного объекта, сроки обработки горной массы; тип и параметры применяемых технологических растворов. Анализ выполненных в изучаемой области исследований позволяет установить (на первом этапе — ориентировочно) характер воздействия различных факторов на проницаемость обрабатываемых (выщелачиваемых) горных массивов и руд.
Так, скорость просачивания регламентируется физическим состоянием (гранулометрическим составом, рыхлостью, неоднородностью горной массы и даже формой, а также шероховатостью частиц руды) обрабатываемого минерального массива и применяемого для перераспределения (промышленного выщелачивания) металлов технологического раствора (его вязкостью, плотностью и т.д.).
Различие фильтрационных свойств обрабатываемого горного массива характеризуется коэффициентом фильтрационной неоднородности Кфн, который является показателем плотности горной массы, и показывающим отличия в фильтрационной способности отдельных зон и слоев [185]. По этому признаку обрабатываемые горные массивы могут быть весьма однородными (с КфН 0,75), однородными (Кфн = 0,75—0,50), неоднородными (Кфн = 0,50— 0,25) и весьма неоднородными (КфН 0,25). Наиболее неблагоприятными для применения ресурсовоспроизводящих технологий или методов выщелачивания являются горные массивы с Кфн 0,25, в которых оруденение приурочено к слабопроницаемым рудам, окруженным легкопроницаемыми породами.
Особо важную роль при распределении технологических растворов по обрабатываемому (выщелачиваемому) массиву играют коллекторские свойства горных пород и минералов, обуславливающие основные показатели фильтрации [4]. Фильтрационные (коллекторские) свойства горного массива связаны, прежде всего, с его пористостью (табл.3.3), проницаемостью и способностью смачиваться различными жидкостями. Величина проницаемости горного массива зависит, главным образом, от степени открытости поровых каналов, формы и размера перемещаемых с гидродинамическим потоком частиц, а также сложности путей течения. На проницаемость горного массива на месте его естественного залегания оказывают влияние и такие (зависящие от величины горного давления) свойства пород, как их сжимаемость, упругость и пластичность.
