Свойства горных пород как объектов воздействия геотехнологическими методами. Физико-химические процессы, протекающие при геотехнологической отработке месторождений. Основные и вспомогательные производственные процессы, характерные для геотехнологии.
Аннотация к работе
Учение о добыче твердых полезных ископаемых через скважины получило название геотехнология [2]. Геотехнология - это наука о физических, химических, биохимических и микробиологических методах воздействия на продуктивную залежь для перевода полезных ископаемых в подвижное состояние и последующее извлечение его через скважины, буримые с поверхности до месторождения. Она призвана дополнить объем полученных знаний по различным технологиям разработки месторождений твердых полезных ископаемых (открытой, подземной, комбинированной) наиболее индустриальным и перспективным методом - геотехнологией. Исследование массива горных пород заключается в изучении состояния (положение залежи, мощность, обводненность, условия питания и разгрузки), состава (минеральный, химический, гранулометрический, состав РН пластовых вод), строения (структура и текстура руд, пористость и трещиноватость, неоднородность в разрезе и плане) и свойств (фильтрационные - проницаемость, водопроводимость; размываемость, вязкость, пластичность, размокаемость, влагоемкость и т.д.). Кроме фильтрационных, к гидравлическим свойствам массивов горных пород относятся: § влагоемкостъ - способность горных пород вмещать и удерживать воду;Резюмируя вышеизложенный материал, можно сделать следующие выводы. На зарубежных предприятиях наиболее распространен метод цианирования с последующим осаждением золота цинковой пылью.
Введение
Горная наука - система научных знаний о природных условиях, геологической среде, технологии, технике и экономике извлечения из недр полезных ископаемых и их первичной переработке.
Она подразделяется на геологические, физико-технические, экономические и горные дисциплины. Горные дисциплины связаны с технологии разведки, разработки и первичной переработки полезных ископаемых. Технология разработки полезных ископаемых включает три направления: открытая, подземная и скважинная технологии добычи. Скважинная технология добычи представляет собой технологию добычи воды, нефти, газа и твердых полезных ископаемых. Учение о добыче твердых полезных ископаемых через скважины получило название геотехнология [2].
Геотехнология - это наука о физических, химических, биохимических и микробиологических методах воздействия на продуктивную залежь для перевода полезных ископаемых в подвижное состояние и последующее извлечение его через скважины, буримые с поверхности до месторождения.
Цель дисциплины - получение знаний по производственным процессам, технологическим схемам и методам разработки месторождений полезных ископаемых геотехнологическими методами. Она призвана дополнить объем полученных знаний по различным технологиям разработки месторождений твердых полезных ископаемых (открытой, подземной, комбинированной) наиболее индустриальным и перспективным методом - геотехнологией.
В результате изучения дисциплины студент должен приобрести следующие знания и навыки: § изучить свойства горных пород как объектов воздействия геотехнологическими методами;
§ изучить физико-химические процессы, протекающие при геотехнологической отработке месторождений;
§ изучить основные и вспомогательные производственные процессы, характерные для геотехнологии;
§ получить навыки проектирования производственных процессов и технологических схем геотехнологии.
Классификация геотехнологических способов по процессам добычи, в основе которых лежат вид и способ перевода полезного ископаемого в подвижное состояние, приведена в табл. 1.
Особенностями геотехнологических способов разработки полезных ископаемых являются: § разработка месторождения ведется через скважины, которые служат для вскрытия, подготовки и добычи полезного ископаемого;
геотехнология месторождение горный
Таблица 1
Классификация геотехнологических способов разработки месторождений полезных ископаемых [2]
Вид подвижного состояния полезного ископаемого Способ перевода полезного ископаемого в подвижное состояние
Физические Химические Комбинированные (комплекс физических, химических и биологических воздействий)
1 2 3 4
Газообразное Воздействие температуры, давления (сублимация, перегонка). Окисление, разложение (частичное или полное сжигание, обжиг). Химические реакции с участием физических полей, микробиологического воздействия
Жидкотекучее (расплав, раствор). Воздействие температуры, давления (плавление, перегонка, нагрев) Выщелачивание и растворение с образованием молекулярных растворов. Растворение, выщелачивание и гидрогенизация с участием физических полей, микробиологического воздействия.
Гидромеханическая смесь. Гидро-, пневмо-разрушение, воздействие физическими полями. Растворение связующего вещества. Диспергирование поверхностно активными веществами, химическими реагентами с участием физических полей, микробиологического воздействия.
§ месторождение является и объектом, и местом добычи и переработки полезного ископаемого, т.к. технология предусматривает избирательное извлечение полезного компонента;
§ геотехнологическое предприятие - промысел (станция) - включает три основных элемента: блок подготовки рабочих агентов, добычное поле, блок переработки продуктивных флюидов;
§ инструментом добычи служат рабочие агенты - энергия или ее носители, вводимые в добычное поле;
§ под воздействием рабочих агентов полезное ископаемое изменяет свое агрегатное состояние или превращается в другое вещество, образуя продуктивные флюиды, которые обладают легкой подвижностью и начинают перемещаться;
§ разработка месторождения имеет зональный характер и перемещается во времени относительно скважин и контуров месторождения;
§ управление добычей осуществляется с поверхности путем изменения характеристики и параметров подачи рабочих агентов.
Геотехнологические способы для добычи ряда полезных ископаемых уже широко используются. К ним относятся: соль, сера, уран, медь и др. По другим полезным ископаемым ведутся полупромышленные, опытные и лабораторные исследования.
В таблице 2. приведены основные сведения о современном состоянии использования геотехнологических способов разработки месторождений полезных ископаемых. Основными проблемами геотехнологии являются: § установление связи физико-геологической обстановки залежи, полезного ископаемого и вмещающих пород с рабочими агентами и средствами добычи на уровне молекул, ионов, атомов;
§ совершенствование управления геотехнологическими процессами с целью повышения их производительности и селективности;
Таблица 2
Современное состояние использования геотехнологических способов [2]
Способ Объекты промышленного освоения. Объекты полупромышленных и опытных исследований, разработки, предложения и патенты
1 2 3
Подземное растворение. Месторождения каменной, калийных солей. Месторождения бишофита, соды, глауберовой соли.
Подземное выщелачивание. Зоны окисления сульфидных месторождений меди и никеля. Уран инфильтрационных и осадочно-инфильтрационных месторождений, а также забалансовые участки эндогенных месторождений. Месторождения марганца, сульфидные месторождения меда, свинца, цинка и никеля, золота, титана и известняка. Осадочные бурожелезняковые месторождения.
Подземная выплавка. Месторождения самородной серы.
Подземная газификация. Месторождения каменного и бурого угля. Осушенные месторождения серы. Известняк, месторождения горючих сланцев, руд, содержащих мышьяк и ртуть. Сера в непроницаемых рудах, битум и тяжелая нефть. Озокерит, сера вулканогенных месторождений, асфальтит, металлы.
Скважинная гидродобыча. Месторождения фосфоритов, строительных песков. Осадочные месторождения металлов, строительные пески и гравий. Титан, золото и алмазы, касситерит в погребенных россыпях, желваковые фосфориты, уголь, мягкие бокситы, железо и т.д.
Добыча полезных ископаемых из подземных вод. Месторождения йодо-бромистых вод, содержащих бор, уран, стронций. Сточные воды шахт, рудников и нефтепромыслов.
Извлечение и использование тепла Земли. Природные парогидротермы. Тепло «сухих» горных пород.
§ создание новых и совершенствование известных технологий прямого превращения ископаемого в целевые компоненты, основанных на малооперационности, поточности, простоте обслуживания и надежности, безотходности, малой энергоемкости, высокой производительности труда и низкой себестоимости;
§ совершенствование технологии переработки и утилизации добытых продуктивных флюидов;
§ охрана окружающей среды и социальные аспекты горного дела.
В области развития геотехнологии большой вклад внесли русские ученые, Д.И. Менделеев предложил идею подземной газификации углей, получившую в дальнейшем развитие в работах английского ученого Д. Рамсея. Академики В.И. Вернадский и Е.Н. Ферсман разработали теоретические основы ряда геохимических процессов. Впервые геотехнологические методы были обобщены И.П. Кириченко. Выдающуюся роль в становлении геотехнологии как науки сыграл академик Н.В. Мельников, впервые создавший в Московском горном институте специальную кафедру и много сделавший от определения основных понятий геотехнологии до практической реализации методов.
В ряде научно-исследовательских и учебных институтов страны в настоящее время функционируют лаборатории, занимающиеся проблемами геотехнологии. Ведущие ученые внесли значительный вклад в развитие геотехнологии. Это - В.В. Ржевский, Е.И. Шемякин, Д.М. Бронников, А.В. Докукин, В.И. Ревнивцев, Н.М. Проскуряков, В.Ж. Аренс.
Необходимо отметить также вклад в развитие отдельных методов следующих ученых. Д.П. Лобанова, Ю.Д. Дядькина, В.Н. Казака, P.C. Пермякова, Н.Ф. Кусова, Е.В. Крейнина, П.В. Скафа, В.Г. Бахурова, И.К. Руднева, Д.Т. Десятникова и др.
Основы геотехнологических способов разработки месторождений полезных ископаемых
1. Физико-химические свойства массивов горных пород
В геотехнологии неприемлемо рассмотрение отдельно взятых горных пород. Необходимо исследовать массив горных пород, представляющий собой гетерогенную систему, включающую различные компоненты в твердой, жидкой и газообразной фазах. Исследование массива горных пород заключается в изучении состояния (положение залежи, мощность, обводненность, условия питания и разгрузки), состава (минеральный, химический, гранулометрический, состав РН пластовых вод), строения (структура и текстура руд, пористость и трещиноватость, неоднородность в разрезе и плане) и свойств (фильтрационные - проницаемость, водопроводимость; размываемость, вязкость, пластичность, размокаемость, влагоемкость и т.д.).
Вопросы состояния, состава и строения массивов горных пород изучаются в курсе геологических дисциплин. Частично уже изучены и свойства массивов в курсе «Физика горных пород». Ниже рассмотрены только специфические свойства массивов, важные при геотехнологии.
1.1 Гидравлические свойства массива горных пород
Гидравлические свойства массива горных пород имеют наибольшее значение для геотехнологических способов разработки месторождений полезных ископаемых. Основной группой гидравлических свойств являются фильтрационные. Их иногда называют коллекторскими. В первую очередь фильтрационные свойства зависят от пористости, т.е. совокупности всех пустот в горных породах, заключенных между минеральными частицами или их агрегатами [4].
Общая пористость - отношение объема пустот и пор к объему горной породы.
Отношение объема пор к объему минерального скелета породы называется коэффициентом пористости.
По величине поры подразделяются на субкапиллярные (диаметр пустот менее 0,2 мкм), капиллярные (0,2-100 мкм) и сверхкапиллярные (более 100 мкм). Поры часто могут соединяться с внешней средой и между собой, образуя сплошные извилистые каналы.
Динамическая пористость учитывает только те поры, по которым может фильтроваться жидкость, иногда ее еще называют открытой (эффективной) пористостью.
Площадь поверхности, образуемая стенками пустот и пор, является одной из важнейших геотехнологических характеристик горной породы - проницаемостью.
Свойство горных пород пропускать через себя жидкости и газы характеризуется коэффициентом проницаемости и коэффициентом фильтрации.
Для целей геотехнологии проницаемость горных пород следует определять в натурных условиях, т.к. только при этом можно учесть всю гамму влияющих факторов.
Различают абсолютную, эффективную и относительную проницаемость.
Абсолютная проницаемость характеризует пропускную способность образца для воздуха при атмосферном давлении и вычисляется по линейному закону фильтрации.
Эффективная (фазовая) проницаемость характеризует пропускную способность для различных жидкостей.
Относительная проницаемость - отношение эффективной проницаемости к абсолютной.
Практической единицей измерения проницаемости является дарси (Д) - величина проницаемости, присущая образцу породы площадью 1 см2, длиной 1 см, через который при давлении 9,8•104 Па проходит в 1 с 1 см3 жидкости вязкостью 10-3Па•с.[4].
В практике горного производства широкое распространение получил другой параметр - коэффициент фильтрации Кф. Практически он представляет собой скорость фильтрации газа или жидкости через породы. Коэффициент фильтрации не учитывает влияние напора пластовых вод и их вязкости на изменение количества фильтрующейся воды. В случае фильтрации воды между коэффициентами пористости и фильтрации существует соотношение [4]: 1 Д = 1см/с = 864 м/сут.
В зависимости от значения коэффициента фильтрации породы подразделяются на водоупорные (Кф500) [4].
В горных породах различают проницаемость межгранулярную и трещинную, причем последняя значительно выше.
Кроме фильтрационных, к гидравлическим свойствам массивов горных пород относятся: § влагоемкостъ - способность горных пород вмещать и удерживать воду;
§ водоотдача - способность горных пород отдавать воду путем свободного вытекания;
§ водоустойчивость - способность горных пород сохранять связность, консистенцию и прочность при взаимодействии с водой;
§ капиллярность - способность горных пород поднимать влагу по порам под воздействием капиллярных сил;
§ набухание - способность горной породы увеличивать объем под воздействием влаги;
§ усадка - способность горной породы уменьшать объем при высыхании;
§ просадочностъ - способность горной породы уменьшать объем при замачивании;
§ смачиваемостъ - способность горной породы входить в молекулярное взаимодействие с жидкостями;
§ адсорбция - способность горной породы концентрировать на своей поверхности различные вещества из газов, паров и жидкостей;
§ абсорбция - способность горной породы поглощать пары, газы и жидкости;
§ липкость - способность горной породы прилипать к различным предметам
1.2 Тепловые свойства горных пород
Тепловые свойства лежат в основе геотехнологических способов разработки месторождений полезных ископаемых, использующих для перевода их в подвижное состояние нагревание до определенной температуры.
Способность горных пород к фазовым превращениям подразделяется на плавление, испарение, сублимацию, кристаллизацию и конденсацию.
Плавление - способность полезного ископаемого переходить в жидкое состояние при нагревании. Оно характеризуется температурой плавления и удельной теплотой плавления. Под температурой плавления понимается температурный интервал, определяющий температуру начала плавления горной массы и полного перехода ее в жидкое состояние. Удельная теплота плавления - количество тепла, необходимого для плавления единицы горной массы.
Испарение (парообразование) - способность полезного ископаемого переходить из твердой или жидкой фазы в газообразную. Оно оценивается количественно - теплотой испарения, - количеством тепла, необходимого для преодоления сил связи между молекулами и их «отрыва» с поверхности.
Сублимация - способность полезного ископаемого переходить из твердого состояния в газообразное. Количественно она оценивается теплотой сублимации.
Кристаллизация - способность полезного ископаемого к образованию и росту кристаллов из расплавов, растворов или газов. Она возникает в результате нарушения равновесия исходной фазы (пресыщение или переохлаждение). В количественном отношении она характеризуется степенью кристаллизации и температурой кристаллизации. Степень кристаллизации - количество вещества, выделившегося в твердую фазу из раствора или расплава. Температура кристаллизации - температура, соответствующая началу образования твердой фазы.
Конденсация - способность полезного ископаемого переходить из газообразного в твердое или жидкое состояние.
При расчете технологических параметров геотехнологических методов, основанных на нагреве полезного ископаемого, также используются следующие тепловые свойства массивов горных пород: теплопроводность, теплоемкость, тепловое расширение или сжатие.
Теплопроводность - способность горной породы передавать тепловую энергию при возникновении разности температур. Она характеризуется коэффициентом теплопроводности и коэффициентом конвекции.
Теплоемкость - способность горной породы повышать свое теплосодержание при повышении температуры. Она характеризуется удельной, средней и истинной теплоемкостью, а также коэффициентом темперотуропроводности.
Тепловое расширение или сжатие - способность горной породы изменять свои линейные размеры при изменении температуры. Оно характеризуется коэффициентами объемного и линейного расширения.
1.3 Электромагнитные и радиационные свойства массива горных пород
При наложении на массив горных пород электрических, магнитных или радиационных полей в ряде случаев достигается интенсификация химических и физических процессов геотехнологии. В отдельных случаях удается даже привести полезное ископаемое в подвижное состояние этими воздействиями. Широко используются эти методы воздействия при разведке месторождений, для контроля за ходом геотехнологических процессов, при предварительной переработке добытого полезного ископаемого.
К электрическим свойствам относятся: электропроводность, электрическая прочность, поляризация.
Электропроводность характеризуется количественно удельной электропроводностью или удельным электрическим сопротивлением и коэффициентом электрической анизотропии.
Электрическая прочность - способность горной породы сопротивляться разрушающему действию электрического напряжения. Количественно она измеряется пробивным напряжением.
Поляризация - способность горной породы взаимодействовать с окружающим электрическим полем. Она оценивается относительной диэлектрической проницаемостью и углом диэлектрических потерь.
К магнитным свойствам горных пород относятся магнитная восприимчивость и остаточная намагниченность.
Магнитная восприимчивость - свойство горных пород намагничиваться под воздействием внешнего магнитного поля.
Остаточная намагниченность - способность горной породы сохранять намагниченность.
К радиационным свойствам горных пород относятся: естественная радиоактивность и способность поглощать ?-, ?-, ?- и нейтронное излучение.
Естественная радиоактивность - способность горной породы создавать радиоактивное излучение.
1.4 Некоторые механические и акустические свойства массива горных пород
При геотехнологических способах разработки месторождений полезных ископаемых необходимо учитывать и использовать некоторые специфические механические а также акустические свойства массива горных пород.
К этим специфическим механическим свойствам относятся: тиксотропность, прочность, твердость, вязкость разрушения, упругость, пластичность, компрессионная способность, хрупкость.
Тиксотропность - способность горных пород, содержащих коллоидные фракции, под воздействием динамических нагрузок к обратимым переходам из твердого состояния в жидкое. Тиксотропность зависит от вида воздействия, его интенсивности и длительности.
Показателями способности горной породы к разрушению являются чувствительность и предел структурной прочности.
Прочность - способность горной породы сопротивляться разрушению под воздействием внешних сил. Она характеризуется количественно: пределом прочности при одноосном сжатии или растяжении, сопротивлением срезу, пределом прочности при изгибе, коэффициентом крепости.
Твердость - способность горной породы оказывать сопротивление локальному воздействию. Количественно она характеризуется показателем статической и динамической твердости.
Вязкость разрушения - способность горной породы сопротивляться развитию в ней трещин.
Упругость - способность горной породы восстанавливать после снятия нагрузки свою первоначальную форму и размеры Количественно она характеризуется модулем Юнга, коэффициентом Пуассона, модулем сдвига, коэффициентом всестороннего сжатия.
Пластичность - способность горной породы изменять форму без разрыва сплошности при силовом воздействии и сохранять эту форму при снятии действующей нагрузки. Количественно она характеризуется степенью пластичности, коэффициентами пластичности и уплотнения.
Компрессионная способность - способность горной породы сжиматься при вертикальной нагрузке и невозможности бокового расширения. Она характеризуется количественно: коэффициентами уплотнения и консолидации, модулями осадки и полной деформации.
Хрупкость - способность горной породы к внезапному разрушению при нагрузке без заметных пластических деформаций. Она количественно характеризуется коэффициентом хрупкости.
Акустические свойства используются и учитываются при разрушении массивов ультразвуковыми волнами, а также при геофизических методах контроля. Они оцениваются акустической проводимостью и поглощением.
Объекты применения геотехнологии
Геотехнология определяется как метод добычи цветных, редких и благородных металлов путем их избирательного растворения химическими реагентами на месте залегания и последующего извлечения образованных в зоне реакций химических соединений без формирования значительных пустот и массового сдвижения вмещающих пород. К геотехнологии относят также кучное и отвальное выщелачивание металлов, хотя эти методы являются промежуточными между собственно геотехнологическим выщелачиванием - подземным и гидрометаллургическим - чановым.
Геотехнологические методы добычи полезных ископаемых следует рассматривать не как конкурирующие с традиционными, а как дополняющие их. Эти методы целесообразно применять на нерентабельных для подземного и открытого способов объектах: на крупных месторождениях сравнительно бедных руд, где значительный экономический эффект может быть получен за счет масштабности производства; на мелких залежах и рудопроявлениях богатых руд на месторождениях, отработанных традиционными методами, для извлечения полезных компонентов из оставшихся целиков и забалансовых руд; на отвалах забалансовых руд и хвостов обогащения закрытых и действующих горных предприятий.
Преимущества геотехнологии
Наиболее экономичным является подземное скважинное выщелачивание на новых месторождениях, когда проницаемость руды для раствора достаточна и предварительное дробление не требуется. В этом случае отпадает необходимость транспортировки руды от рудника, не нужны хвостохранилища, появляется возможность полной автоматизации процесса, исключается опасный труд человека под землей, резко (примерно в три раза) сокращаются объемы, сроки ввода и освоения промышленных мощностей, не происходит вредных выбросов газов и пыли.
Основной проблемой подземного выщелачивания является обеспечение защиты от проникновения промышленных растворов в подземную гидросеть. В связи с этим требуется тщательное геологическое изучение объекта, особенно в плане тектонических нарушений. При наличии разломов или зон трещиноватости необходимо проведение работ с целью создания искусственных водонепроницаемых экранов путем закачки бетонной смеси в плоские щели, сформированные методом гидроразрыва, который разработан в институте Горного дела СО РАН.
Кучное выщелачивание на специально подготовленных основаниях максимально снижает возможность утечки промышленных растворов. Однако себестоимость готовой продукции становится несколько выше, чем при подземном выщелачивании, но существенно ниже, чем при традиционных методах добычи.
Кучное и, в меньшей степени, подземное выщелачивание давно и широко используются в разных странах (США, Испании, Чили, Чехословакии, Канаде, Мексике, Перу, Замбии, Австралии, ЮАР и др.) для добычи урана, меди, золота и серебра. Известны запатентованные разработки по выщелачиванию свинца, цинка, молибдена, вольфрама, олова, мышьяка, висмута и других металлов. В нашей стране в промышленном масштабе этими методами добывался только уран, а медь, золото и серебро извлекались лишь на опытно-промышленных установках малой производительности. В последние годы, в связи с некоторым подъемом в экономике, интерес промышленников к геотехнологии усилился. Начато внедрение кучного выщелачивания на горнодобывающих предприятиях Рудного Алтая. Планируется использование геотехнологии для добычи золота и меди в Забайкалье. Можно надеяться, что геотехнологические методы найдут применение в России при добыче цветных и благородных металлов.
Экономические показатели
По оценке американских специалистов капитальные затраты на организацию кучного выщелачивания золотосодержащей руды производительностью 180 т/сут (без учета расходов на горные работы) составляют $ 200 тыс., при этом затраты на цианид натрия не превышают $ 0.15, а потребление электроэнергии - 0.0003 КВТ * ч на 1 т руды.
Если расходы на извлечение золота по стандартной технологии (чановое выщелачивание с предварительным перемешиванием, осаждение золота цинковой пылью) принять за единицу, то для геотехнологического варианта (кучное выщелачивание с предварительным дроблением руды, осаждение золота на угле, электролиз) они составят 0.32. Соответствующее соотношение эксплуатационных затрат составляет 1:0.66.
Традиционная технология экономически выгодна, когда содержание золота в руде не менее 1.74 г/т (эта цифра зависит от цены золота на мировом рынке), а кучное выщелачивание - при содержании золота до 0.96 г/т.
На руднике Эберли (США) капитальные вложения на кучное выщелачивание составили $ 600 тыс., а эксплуатационные расходы - 11.5 $/т. Затраты распределяются так: $/т %
Добыча руды (рабочая сила, взрывные работы техн. обслуживание, страхование и прочее) 2,44 21,2
Кучное выщелачивание: оплата труда: - рабочих - инженерно-технических работников электроэнергия и топливо реагенты вода техническое обслуживание плата землевладельцу за разработку недр дробление руды и укладка в кучи процесс сорбции золота на угле десорбция золота и электролиз элюата химические анализы отчисления на оборудование 1,05 0,78 0,77 0,83 0,11 0,48 1,05 0,44 0,26 0,26 0,13 2,90 9,14 6,78 6,7 7,22 0,96 4,17 9,15 3,83 2,26 2,26 1,13 25,2
Всего 11,5 100,0
Таким образом, кучное выщелачивание золота экономичнее традиционных методов добычи по всем показателям.
Технико-экономическая эффективность кучного и сорбционного выщелачивания золота из рудного сырья в зависимости от содержания золота, производительности установки, материала основания под рудный штабель, крупности дробления руды и т.д. приведена в [3] применительно к экономическим условиям России.
Ниже даны два варианта расположения установки для выщелачивания: - в непосредственной близости от источника сырья (транспортировка руды осуществляется не более чем на 1 км, требуется сооружение хвостохранилища для слива жидких отходов);
- в районе хвостохранилища золотоизвлекательной фабрики (транспортировка руды производится на расстояние до 10 км).
Эффективность кучного выщелачивания рассматривалась для песчано-глинистых и кварц-карбонатных руд с содержанием золота 1.5; 2.0; 2.5 г/т при производительности установки 50, 100 и 200 тыс. т/год.
Известно, что для песчано-глинистых руд, требующих более длительного выщелачивания, целесообразно использовать одноразовые основания - глиняные с пленочным экраном. Для кварцевых руд, цикл обработки которых короче, можно применять бетонные основания. Метод кучного выщелачивания золота оказывается экономически приемлемым даже в случае дробления руды до крупности -5 мм, если содержание золота в руде не ниже 1 г/т и производительность установки не менее 100 тыс. т/год. Кучное выщелачивание следует проводить в непосредственной близости от источника сырья, так как расходы на транспорт превышают затраты на сооружение хвостохранилища. Этими же авторами [3] рассмотрена эффективность кучного выщелачивания золота малотоксичными и нетоксичными, в сравнении с цианидами, растворителями. Показано, что при бактериальном выщелачивании значительный экономический эффект достигается за счет резкого сокращения издержек на обезвреживание жидких отходов.
3. Обзор технологических способов, используемых при кучном выщелачивании золота и руд
Золотосодержащие руды, пригодные для переработки методом кучного выщелачивания, разделяют на следующие типы: 1) известковый алеврит с субмикронными частицами золота и примесями пирита, галенита, киновари, стибнита;
2) окремненные алевролиты с микронными частицами золота, часто связанными с остаточными окислами железа;
3) песчаная и доломитовая руда, содержащая золото в межзерновом пространстве;
4) жильная кварцевая руда;
5) изверженные горные породы с небольшими кварцевыми жилами со свободным золотом.
Цианидное выщелачивание
Цианидное выщелачивание на сегодняшний день является основным способом извлечения золота из руд, как в традиционной технологии, так и при геотехнологической добыче. В качестве реагента используются соли циановой кислоты - цианиды натрия или калия концентрацией 0.02-0.3%. Растворение золота происходит по реакции 2Au 4KCN 0/2O2 Н2O = 2KAU(CN)2 2КОН, из которой следует необходимость введения в процесс окислителя - добавок в рабочий раствор перекиси водорода, гипохлоритов калия, натрия и др. В цианистых растворах должно быть обеспечено, кроме того, создание, так называемой, защитной щелочи, уменьшающей разложение цианистых солей. В подземном или кучном выщелачивании для предотвращения кольматационных явлений предпочтительнее использование едких щелочей (КОН или NAOH), не приводящих к увеличению в растворе содержания кальция.
Процесс цианирования золотосодержащих руд и концентратов используется и в традиционной технологии и, соответственно, разносторонне изучен. В частности установлено, что скорость растворения золота может контролироваться либо концентрацией NACN, либо кислорода; интенсивное пассивирование золота имеет место в присутствии солей свинца; при малых концентрациях (5-25 мг/л) серебро, свинец и ртуть ускоряют растворение золота; в присутствии сульфосолей мышьяка скорость растворения золота резко подавляется.
Интенсификация цианирования может быть достигнута за счет предварительного введения извести и цемента для гранулирования материала; использования концентрированных цианистых растворов, цианида кальция, который дешевле NACN, комбинированных реагентов (особенно для теллуристых и золотосеребряных руд); введения в раствор некоторых добавок (солей таллия, марганца, высокомолекулярных спиртов и т. д.).
Продолжительность выщелачивания колеблется от 7 до 30 суток для дробленой руды (крупностью менее 20 мм) и до нескольких месяцев для получаемой в результате взрыва.
При всех достоинствах цианистого процесса извлечения золота из руд у него имеется и существенный недостаток - очень высокая токсичность цианистых солей. До сих пор не решена проблема обезвреживания стоков, поэтому уже давно ведется поиск альтернативных реагентов для гидрометаллургической (в том числе и геотехнологической) переработки золотосодержащего сырья.
Тиомочевинное (тиокарбамидное) выщелачивание
Возможным заменителем цианистых растворителей золота являются кислые растворы тиомочевины. Впервые предложения об использовании тиокарбамидного выщелачивания для извлечения золота из сурьмянистых руд были высказаны в начале сороковых годов XX века. Исследования как у нас в стране, так и за рубежом показали следующие преимущества тиомочевинного растворения, по сравнению с цианированием: скорость процесса выше примерно в 10 раз, он менее подвержен воздействию со стороны ионов-примесей, меньше удельный расход и коррозионная активность реагента. Вместе с тем указывались и отрицательные моменты: тиомочевина дороже NACN на 25%, в окислительных условиях она разлагается, имеются сложности при извлечении золота из тиомочевинных растворов активированным углем.
Тиомочевинная технология перспективна для переработки углеродсодержащих глинистых золотоносных руд, а также мышьяксодержащих. В цианистом процессе серьезные трудности вызывает наличие меди, при тиомочевинном растворении это осложнение частично снимается вследствие значительно меньшей скорости ее разложения, эффективно растворяется золото в кислых растворах в присутствии окислителя. Установлено, что наилучшим из исследованных реагентов является раствор тиомочевины с добавками серной кислоты и трехвалентного железа. При этом окислительно-восстановительный потенциал не может быть ниже 125-130 МВ (изза осаждения золота) и выше 160-165 МВ (изза окисления свободной тиомочевины). Стабилизация его в ходе процесса на определенном уровне может осуществляться, например, добавками сернистого газа. Эксперименты показали, что в случае тиомочевинного выщелачивания золото извлекаешься с большей полнотой, чем цианированием: 90 - 97% против 81-92%. Показана возможность использования растворов тиомочевины в замкнутом цикле с концентрацией железа не выше 10-12 г/л.
В результате промышленных испытаний установлено: тиомочевинное выщелачивание золота возможно, причем извлечение его равно или выше, чем при планировании; в случае тонкой вкрапленности золота такое выщелачивание не имеет кинетических преимуществ перед цианированием; тиомочевинная технология может оказаться рентабельной даже с низким извлечением (60%) выщелачивания углеродсодержащих руд, которые невозможно перерабатывать иными способами, она может быть использована для переработки низкосортных золотосодержащих отвалов.
В промышленном масштабе тиомочевина применяется лишь на предприятиях с очень богатым концентратом, что оправдывает затраты на реагент. В России в результате испытаний на опытных установках выявлены недостатки способа: длительность операции закисления, высокий расход кислоты, обогащение продуктивных растворов элементами-примесями и др.
Эксплуатационные затраты при тиокарбамидном выщелачивании в целом примерно на 25% меньше, чем для цианирования за счет существенно (более чем в три раза) меньших затрат на обезвреживание промышленных стоков.
Тиосульфатное и аммиачно-тиосульфатное выщелачивание
Процессы тиосульфатного и аммиачно-тиосульфатного выщелачивания золота протекают по следующим реакциям: 4Au O2 8S2O32- 4H > 4Au(S2O3) 23- H2O, Au 5S2O32- Cu(NH3)42 > Au(S2O3) 23- 4NH3 Cu(S2O3)35-
Образующийся тиосульфатный комплекс золота очень прочный (константа диссоциации равна 10-26).
Наличие растворимой меди и сульфидов может замедлить процесс аммиачно-тиосульфатного растворения золота, если не принять специальных мер. В частности, его рекомендуется проводить в слабоокислительной среде.
Аммиачно-тиосульфатное выщелачивание применимо к упорным для цианистого процесса рудам: марганцевым и медистым. Оптимальные условия сохраняются поддержанием в растворе РН на уровне 7-8 ед. Это обеспечивает устойчивость тиосульфат-ионов. Установлено, что при их отсутствии извлечение золота резко падает, кроме того, для повышения скорости реакции рекомендуется вводить в систему элементарную серу. Испытания, проведенные с рудами ряда месторождений США и Мексики, показали, что выщелачивание реагентом, состоящим из смеси тиосульфата и сульфита аммония, обеспечивает извлечение золота в пределах 50 - 96%. Аммиачными тиосульфатными растворами можно добывать золото и серебро из хвостов окислительного выщелачивания в присутствии меди.
Окислительное выщелачивание минеральными кислотами и солями
Этот способ применим для добычи серебра и, в меньшей степени, золота. Имеется патент на селективное солянокислое выщелачивание золота, серебра, свинца, сурьмы и висмута из арсенатов. Процесс проводят при РН = 1 и с наличием в растворе железа (2-4 г/л).
Для переработки материалов, содержащих благородные металлы, рассмотрена возможность использования гидрохлорирования, имеющего некоторые преимущества, по сравнению с цианистым процессом: большая концентрация окислителя (молекулярный хлор) в растворе обусловливает высокую скорость процесса; возможность получения солянокислых растворов, из которых удобно выделять золото электролизом, переработки ряда упорных для цианирования золотосодержащих материалов, в том числе углистых, медистых, мышьяковистых и других, а также разделения золота и серебра при их осаждении из солянокислых растворов.
Экологически чистый способ извлечения благородных металлов из руд, в том числе карбонатных, включает их обработку водным раствором, содержащим хлоридные и гипохлоридные ионы, восстановление металлов цементацией, регенерацию ионов гипохлорита электрохимическим способом и повторное использование выщелачивающего раствора. Гипохлорирование применяется для предварительной обработки углеродсодержащих золотых руд перед цианированием, чт
Вывод
Резюмируя вышеизложенный материал, можно сделать следующие выводы.
1. На зарубежных предприятиях наиболее распространен метод цианирования с последующим осаждением золота цинковой пылью. В России параллельно развиваются методы цианирования и сорбционного цианирования.
2. Во всех промышленно развитых странах применяется сорбция золота по методу «уголь в пульпе».
3. Сорбционное выщелачивание золота, использование ферритизированных сорбентов, электролитическое извлечение золота углеграфитовыми электродами развивается преимущественно в нашей стране.
4. Существуют технологические приемы извлечения золота и серебра из растворов, изученные только в лабораторных условиях. Внедрение их в практику - дело будущего.
Список литературы
1. Птицын А.Б. Добыча золота методами геотехнологии. Ч.1: технологические решения // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2001. №1.
2. Аренс В.Ж. Геотехнологические методы добычи полезных ископаемых. М.: Недра, 1975.
3. Минеев Г.Г. Биометаллургия золота. М.: Металлургия, 1989.
4. Черняк А.С., Овчинникова О.В. Вторичные ионообменные явления в процессах выщелачивания золота и серебра // Гидрометаллургия золота. М.: Наука, 1980.