Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Защита водных объектов от загрязнения стоком с отвалов молибденовых рудников (на примере Жирекенского месторождения)

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Защита водных объектов от загрязнения стоком с отвалов молибденовых рудников (на примере Жирекенского месторождения)"

На правах рукописи

БЛИНКОВ ОЛЕГ ГЕННАДЬЕВИЧ

ЗАЩИТА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ СТОКОМ С ОТВАЛОВ МОЛИБДЕНОВЫХ РУДНИКОВ (НА ПРИМЕРЕ ЖИРЕКЕНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ)

11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 1997.

Работа выполнена в отделе защиты водных объектов от загрязнений с водосборной территории РосНИИВХ (г. Екатеринбург), институте ЗапСибНИПИ (г. Тюмень) и на заводе "Уралбурмаш" (п. Верхние Серги).

Научный руководитель: кандидат технических наук, старший научный сотрудник Ю.С. Рыбаков

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.Г. Зотеев

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Е.Ф.

Ведущая организация:

Институт проблем прикладной экологии и природопользования Министерства чрезвычайных ситуаций и экобезопасности Республики Башкортостан (г. Уфа).

Защита состоится 1997 г. в .ЦТ часов на за-

седании диссертационного совётаДЮ997о1.01 в Российском научно-исследовательском институте комплексного использования и охраны водных ресурсов (РосНИИВХ) по адресу: 620049, г. Екатеринбург, ул. Мира, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского научно-исследовательского института комплексного использования и охраны водных ресурсов.

Автореферат разослан 1997 г.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 620049, г. Екатеринбург, ул. Мира, 23, РосНИИВХ.

Ученый секретарь д ого совета Д 099.01.01

Дрейпа

Ю.С. Рыбаков.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. Резкое увеличение объемов добычи полезных ископаемых, в первую очередь руд черных и цветных металлов, пришедшееся на тридцатые годы нашего столетия, привело к появлению значительного количества техногенных образований, до 90% от массы которых представлены отвалами минерализованных пород и забалансовых руд. При этом суммарная площадь, занятая ими в странах СНГ, превышает 3,5 млн га. Сток, сформированный на этих техногенных образованиях, загрязнен металлами, сульфат- и хлор-ионами и другими ингредиентами. За год с подотвальными и шахтными водами сбрасывается более одного миллиона тонн химических веществ, в том числе крайне опасных тяжелых и редких металлов, что приводит к значительному загрязнению как открытых, так и подземных водных источников.

К одним из наиболее экологически опасных источников техногенного загрязнения относятся и отходы молибденовой промышленности, содержащие такие токсичные элементы, как медь (ПДК 0,001 мг/дм3), молибден (ПДК 0,0012 мг/дм3) и другие ингредиенты. Типичным объектом молибденовой промышленности является Жире-кенский рудник (Читинская обл.), в отвалах которого заскладирова-ны окисленные и сульфидные руды и минерализованные породы, т.е. весь спектр отвальных руд и пород, имеющихся на других молибденовых рудниках и загрязняющих водные объекты.

Применяемые в настоящее время методы защиты водных источников от загрязнения техногенными образованиями направлены на борьбу со следствием загрязнения сточных вод, а не с причиной, заложенной в самих отвалах. Поэтому актуальной задачей становится проведение исследований по очистке отвалов молибденовых руд и пород от загрязнителей для защиты водных объектов от загрязнения.

Объектом настоящего исследования являются отвалы руд и минерализованных пород Жирекенского рудника, загрязняющие открытые и подземные водные источники.

Предметом исследования является динамика формирования загрязнения от отвалов Жирекенского рудника.

Цель работы. Разработка комплексных технологических схем по очистке отвалов руд и минерализованных пород молибденовой промышленности для защиты водных объектов от загрязнения.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

- изучить гидрохимическую характеристику стока в районе складирования отвалов забалансовых молибденовых руд и пород Жирекенского рудника;

- разработать способы глубинного опробования отвалов;

- разработать способы защиты подземных вод от загрязнения;

- изучить закономерности выщелачивания забалансовых руд Жирекенского месторождения;

- установить оптимальные технологические параметры выщелачивания загрязнителей из окисленных и сульфидных забалансовых руд;

- разработать и обосновать технологические схемы очистки отвалов молибденовых руд и минерализованных пород для защиты водных объектов от загрязнения.

Идея работы состоит в использовании приемов и методов кучного выщелачивания для очистки отвалов молибденовых забалансовых руд и минерализованных пород.

Научные положения. Для молибденовых руд установлена стадиальность процесса выщелачивания рудных элементов - загрязнителей водных объектов. Она выражается в изменении скорости извлечения металлов из твердой фазы и селективности перехода их в раствор на различных стадиях.

Разработаны технологии извлечения металлов-загрязнителей из окисленных и сульфидных молибденовых руд, позволяющие снизить загрязнение водных объектов до нормативных пределов.

Разработаны способы и оборудование для бурения отвалов с целью повышения достоверности их опробования и защиты подземных вод от загрязнения.

Научная новизна. Впервые разработан способ бурения отвалов руд и минерализованных пород с применением специальной бурильной головки.

Разработаны способы защиты подземных надмерзлотных и под-мерзлотных вод от загрязнения инфильтрационным стоком и технологическими растворами с применением бурения скважин через отвал.

Определены зависимости выщелачивания молибдена и меди из молибденовых руд от основных технологических параметров процесса выщелачивания.

Впервые установлена стадиальность извлечения молибдена и меди: на первой стадии интенсивно растворяются минералы молибдена, а на второй - легкорастворимые минералы меди.

Установлено, что процесс выщелачивания молибдена идет в 2 этапа: интенсивный - за счет растворения оксидов, а также сульфидов с высокой дефектностью кристаллической структуры и медленный - за счет их довыщелачивания.

Установлено, что процесс выщелачивания меди из руд идет в 3 этапа: медленный - за счет приоритетного растворения молибдена, железа и нейтрализации породообразующих минералов основного характера; интенсивный - за счет растворения оксидов и вторичных сульфидов; медленный - за счет низкой скорости растворения первичных сульфидов.

Разработаны оптимальные режимы химической рекультивации отвалов окисленных и сульфидных молибденовых руд.

Методика выполнения работы. Научные положения диссертационной работы установлены с помощью методов химического, минералогического, фазового анализов, математической обработки результатов, обобщения полученных результатов графоаналитическим методом и подтверждены результатами промышленных испытаний.

Практическая значимость. Впервые разработаны комплексные технологические схемы по очистке отвалов окисленных и сульфидных молибденовых руд и минерализованных пород для защиты водных объектов от загрязнения.

Разработана бурильная головка К 212,7/80 ТКЗ, позволяющая повысить представительность глубинного опробования отвалов.

Разработано долото III 190,5 Т-ЦВ для бурения скважин одновременно через отвал, рыхлые отложения, вечную мерзлоту и коренные породы для наблюдения, сбора и откачки загрязненных ин-фильтрационных вод.

Разработаны технологические регламенты для проектирования участков химической рекультивации отвала окисленных молибденовых руд Жирекенского месторождения, очистки и утилизации по-дотвальных и шахтных вод Салаирского ГОКа.

Материалы диссертации были также использованы РосНИИВХ при подготовке отчетов о НИР "Разработать технологические схемы очистки и утилизации подотвальных и шахтных вод Салаирского ГОКа, Башкирского МСК и Жирекенского ГОКа" и "Выбор объектов и технико-экономическая оценка кучного выщелачивания отвалов забалансовых руд и минерализованных пород медных, медно-цинковых и свинцово-цинковых месторождений".

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на Всероссийской конференции "Бассейн реки: эколого-водохозяйственные проблемы рационального водопользования", Екатеринбург, 1996; на межрегиональной научно-практической конференции "Промышленные и бытовые отходы. Проблемы и решения", Уфа, 1996; на Республиканской конференции "Региональное природопользование и экологический мониторинг", Барнаул, 1996; на Всероссийской научно-практической конференции "Управление устойчивым водопользованием", Москва, 1997; на научно-технической конференции "Техноген-97", Екатеринбург, 1997; на VII международной выставке-семинаре "Урал-экология-97", Екатеринбург, 1997.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников из 138 наименований, содержит 26 таблиц, 31 рисунок. Содержание диссертации изложено на 130 стр. машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи исследований и научные положения, показаны научная новизна и практическая значимость работы.

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОЧИСТКИ ТЕХНОГЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ

К техногенным образованиям предприятий горно-металлургической промышленности относятся отвалы и терриконы забалансовых руд, минерализованных пород, шлако- и золоотвалы, горные выработки, действующие и законсервированные шламо- и хвостохрани-лища станций нейтрализации и обогатительных фабрик и другие новообразования. Как правило, сток, формирующийся на техногенной провинции и имеющий контакт с техногенными образованиями, загрязнен металлами, сульфат- и хлор-ионами, другими компонентами, содержание которых значительно превышает Г1ДК. Наибольшую угрозу водным объектам из-за загрязненного стока представляют отвалы руд и минерализованных пород цветной металлургии.

В качестве объекта исследований выбран Жирекенский рудник по следующей причине. Добыча на месторождении ведется менее 10 лет. Отвалы только формируются. Они еще не оказывают значительного загрязняющего воздействия на водные объекты. И при проведении научно обоснованных мероприятий по очистке таких отвалов и защите водных объектов можно свести загрязняющее воздействие всего рудника к минимуму.

В то же время водозащитные мероприятия для отвалов молибденовых руд не разработаны. Известны технологии для защиты водных источников от загрязненного стока с отвалов забалансовых медных и медно-цинковых руд, разработанные Ю.С. Рыбаковым, Б.Д. Халезовым, Д.А. Пирмагомедовым. Но эти технологии предполагают складирование предварительно опробованных отвалов на подготовленное гидроизолирующее основание, а также ряд других мероприятий, механический перенос которых для молибденовых руд и пород неприемлем.

Одним из самых радикальных способов борьбы с загрязнением стока, сформированного на отвалах, для защиты водных объектов и улучшения ландшафтов, по нашему мнению, является рекультивация. Анализ опубликованных материалов по рекультивации (Г.И. Махонина, Л.В. Моторина, В.Д. Максимова, Н.П. Тарханова, Н.А. Лукьянец), однако, показал, что основное внимание уделяется частным проблемам, таким как процессы почвообразования и восста-

новления растительного покрова. Однако для отвалов забалансовых руд и минерализованных пород не должно быть иллюзий о возможном естественном самозарастании. Для них важное значение имеет не столько биологическая рекультивация, сколько процессы извлечения ценных компонентов-загрязнителей и подготовка поверхности отвала к зарастанию. Поэтому на таких отвалах необходимо осуществить все три известных этапа рекультивации: горно-техническую, химическую и биологическую (Ю.С. Рыбаков, Л.В. Мотори-на, В.А. Овчинников, Н.И. Плотников). Одним из методов химической рекультивации может быть кучное выщелачивание, которое позволит не только защитить водные объекты от загрязненного стока с отвалов, но и извлечь из них цветные металлы в товарную продукцию и подготовить отвал к биологической рекультивации. Таким образом, кучное выщелачивание как метод химической рекультивации позволяет решать проблемы охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов.

Кучное выщелачивание, по определению В.Ж. Аренса, А.И. Ка-лабина, В.Г. Бахурова и других, заключается в селективном химическом и бактериально-химическом растворении из отвалов руд и минерализованных пород цветных и редких металлов с последующим выделением металлов из продуктивного раствора в товарную продукцию. Однако применение методов кучного выщелачивания зачастую затруднено из-за возможного загрязнения поверхностных и подземных вод технологическими растворами. Поэтому оно должно применяться только в комплексе с методами рекультивации, что, возможно, ухудшит технико-экономические показатели процесса, но позволит избежать загрязнения водных объектов.

Интенсивность кучного выщелачивания, по данным исследований Б.Д. Халезова и Ю.С. Рыбакова, главным образом зависит от вида и концентрации растворителя, количества растворов, подаваемых на единицу массы руды в единицу времени (плотность орошения), паузы между орошениями (в течение которой происходят процессы окисления, растворения, отвода продуктов реакции от минерала по трещинам и порам кусков руды и т.д.) и физико-химических свойств руды.

Для кучного выщелачивания молибденовых руд и пород наиболее перспективными схемами являются: сернокислотная - при очисг-

ке окисленных и смешанных руд и гипохлоритная - при очистке сульфидных руд.

В настоящее время сернокислотная схема выщелачивания окисленных молибденовых руд испытана институтами Средазнипроцвет-мет (г. Ташкент) и Гиналмаззолото (г. Москва) в полупромышленном масштабе для руд Сорского месторождения (Республика Хакассия) и действует участок кучного выщелачивания урана с попутным извлечением молибдена на Приаргунском ГХК (Читинская область). Гипохлоритная схема проверена только в укрупненном лабораторном масштабе в институте Гидроцветмет (г. Новосибирск) для руд Гитче-Тыр-ныаузского месторождения (Кабардино-Балкария). Для извлечения молибдена из продуктивных растворов испытаны способы сорбции на ионитах, экстракции, а также осаждения его в видетрисульфида и ферримолибдатов. С нашей точки зрения, наиболее приемлемым следует считать сорбционный способ извлечения молибдена, так как* в этом случае не вносятся дополнительные загрязнители в растворы и регенерируется растворитель - серная кислота.

ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА СКЛАДИРОВАНИЯ ОТВАЛОВ ЖИРЕКЕНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Жирекенское молибденовое месторождение расположено в Чернышевском районе Читинской области в 4 км от железнодорожной магистрали Чита-Хабаровск. Климат района континентальный с резкими перепадами температур в течение года от +30 до -40°С. Для месторождения характерно наличие зоны вечной мерзлоты мощностью от 0 до 60 м, которая имеет островной характер, что определяет наличие двух типов подземных вод: надмерзлотных (в четвертичных отложениях) и подмерзлотных (в коренных породах). С1986 года на месторождении начата добыча руды, из которой получают молибденовые концентраты на местной обоптительной фабрике.

В ходе добычных работ на заранее выбранные площадки производится отсыпка отвалов окисленных (массой 3405000 т) и забалансовых богатых (массой до 10 млн т) и бедных (массой 6,5 млн т) сульфидных руд, а также породного отвала (объемом до 130 млн м3). Некондиционные руды, в особенности зоны окисления, содержат цветные металлы, которые достаточно легко окисляются и растворяются, чем наносят вред окружающей среде. В гидрогеологи-

ческом отношении отвалы находятся вне зоны влияния карьера. Фактическая отсыпка их на неподготовленное преимущественно элювиально-делювиальное основание с коэффициентом фильтрации 1 м/сут создает реальную угрозу загрязнения подземных вод продуктами естественного выщелачивания. Характеристика ин-фильтрационных (подотвальных) вод приведена в табл. 1. Все площадки для складирования рудных отвалов расположены на склоне распадка, по которому идет непрерывный сток поверхностных и подземных вод в долину, где построено хвостохранилище. Данные о составе вод, фильтрующих через дамбу, а также оборотной воде обогатительной фабрики приведены также в табл. 1, из которой видно, что сток, сформированный на отвалах окисленных и сульфидных руд, значительно загрязнен медью, молибденом и железом.

РАЗРАБОТКА И ИСПЫТАНИЕ СПОСОБОВ ГЛУБИННОГО ОПРОБОВАНИЯ ОТВАЛОВ

Известно, что отвалы ЖирекенскоГо и большинства других рудников схладированы без достаточно надежного опробования. Ктому же за счет активного выветривания и естественного выщелачивания вещественный состав отсыпанной горной массы с течением времени изменяется. Поэтому оптимальный способ очистки и рекультивации таких отвалов может быть рекомендован только после определения современного состояния вещественного состава горной массы с отбором и формированием представительных проб и проведения технологических исследований. Под руководством Б.Д. Халезова уже разработан ряд методик опробования рудных отвалов. Однако они были предназначены для конкретных условий того или иного месторождения, не носили обобщающего характера и имели ряд недостатков, касающихся точности в отборе проб. Многие из указанных недостатков учтены в методике, разработанной под руководством Ю.С. Рыбакова. В ней рекомендована следующая схема проведения работ по опробованию:

- изучение имеющихся сведений об отвалах;

- маршрутные геологические исследования;

- проведение топомаркшейдерских работ;

- поверхностное опробование отвала;

- глубинное опробование отвала;

Усредненные результаты химического анализа сточных вод

Таблица 1

Наименование стока

Содержание, мг/дм3

РН Са Мд Ыа К эо.. С) 2п Си Ре Мо

Сток хвостохранипища 8,4 35,3 6.0 29,0 2,4 71.4 4,4 0,04 0.05 1,4 0,14

Оборотная вода фабрики 6,2 59,3 4,4 495 17,4 395 29 0,06 0.3 2,8 0,27

Сток отвала окисленных руд 4,4 90,2 15,1 8,3 8,6 362 13 0,2 2,0 3,5 0,36

Сток отвала сульфидных руд 5,4 87,1 9,4 8,2 3,3 107 3,1 0,1 1.2 2.0 0,29

- формирование проб для технологических исследований.

К недостаткам этой методики следует отнести отсутствие разработанного способа бурения и специального инструмента для этих целей. Бурение скважин предполагалось проводить канатно-удар-ным станком (буровой инструмент - ударное долото диаметром 90115 мм) БУ-2, станком шарошечного бурения СБШ (буровой инструмент - трехшарошечное долото) либо самоходной буровой установкой СБУД-150 М ЗИВ (буровой инструмент - буровая коронка, армированная победитом) без указания режимов бурения и способов отбора проб. Многочисленные испытания указанных способов бурения показали, что их результаты нельзя признать достоверными из-за отбора непредставительных проб и из-за частичного изменения состава руды в процессе бурения.

Поэтому нами было предложено использование в качестве бурового инструмента бурильной головки. При участии автора диссертации на заводе "Уралбурмаш" была разработана специальная бурильная головка К 212,7/80 ТКЗ. Бурильная головка шестишарошеч-ная, представляет собой сварную конструкцию, состоящую из приставки, внутренней секции с тремя цапфами под наружные шарошки. Три внутренние шарошки формируют и разрушают прилегающую к нему часть забоя, три наружные шарошки образуют ствол скважины и разрушают периферийную часть кольцевого забоя. С целью повышения механической скорости бурения ось каждой кер-нообразующей шарошки повернута в горизонтальной плоскости под углом 12-о, а оси смежнорасположенных скважинообразующих шарошек на 21~о. Для улучшения очистки забоя и подачи в случае необходимости промывочной жидкости в приставке бурголовки предусмотрено 12 отверстий круглого сечения. Значительно возросла толщина той части наружной секции и накладки, которая подвергается износу о стенки скважины, то есть увеличился зазор между стенкой скважины и корпусом бурголовки, что способствует более интенсивному выносу измельченного шлама из зоны бурения и менее интенсивному нагреву. Среди усовершенствований наиболее существенным влиянием на работоспособность бурголовки является уход от традиционных шариковых замков, удерживающих шарошку от осевых перемещений. В данной конструкции роль замков выполняют торцевые подшипники на внутренней секции, накладке и наруж-

ной секции. В совокупности все эти усовершенствования позволили создать бурголовку, обеспечивающую максимальные показатели: проходку, скорость бурения, процент выноса керна, современный дизайн и низкую стоимость буровых работ.

В процессе испытаний разработанного способа бурения отвалов с применением специальной бурголовки был найден следующий оптимальный режим: рейс бурения был принят ограниченный -0,5-1,0 м; число оборотов шпинделя бурового станка - 100-120 в минуту; осевая нагрузка на бурголовку - 3000-4000 Н. Бурение производится после предварительного насыщения отвала водой без подачи ее в забой.

На основании проведенного опробования делаются выводы:

- об однородности отвала по содержанию основных компонентов руды и породы;

- о химическом, фазовом, гранулометрическом, минералогическом составе руды и породы;

- о физико-химических свойствах руды: удельной и объемной массе, общей пористости, влажности и влагоемкости;

- о необходимости очистки отвала методами химической рекультивации.

ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ ИЗ ОКИСЛЕННЫХ И ЗАБАЛАНСОВЫХ СУЛЬФИДНЫХ РУД

Для проведения лабораторных исследований из отвалов были отобраны две пробы: окисленной и забалансовой сульфидной руд. При изучении вещественного состава этих проб выполнены химические анализы на 14 ингредиентов, фазовый анализ на соединения молибдена и меди, гранулометрический состав, минералогический и петрографический анализы. Содержание молибдена в пробе окисленной руды составляло 0,07%, меди 0,11%, железа 0,61%. В пробе сульфидных руд содержание этих элементов соответственно составляло: 0,035%, 0,08% и 1,7%. В окисленной руде более 77% молибдена и 18% меди находилось в оксидных легкорастворимых формах. В сульфидной руде содержание оксидов молибдена и меди соответственно было 14,3% и 12,5%. Основные рудные минералы в пробах были представлены молибденитом, ферримолибдитом, пиритом, халькопиритом, ковеллином, халькозином, малахитом и гид-

роксидами железа, а нерудные минералы - кварцем, полевым шпатом, глинистыми минералами, биотитом, серицитом, хлоритом и карбонатами.

Исследования по выщелачиванию главных загрязнителей из руд проводились в перколяторах с массой загрузки 300 г и 3 кг по методикам, разработанным Ю.С. Рыбаковым и Б.Д. Халезовым.

В процессе исследований выщелачивания окисленной руды устанавливали зависимость скорости извлечения основных загрязнителей (молибдена и меди) от концентрации серной кислоты (Ск), паузы между орошениями (г) и плотности орошения (р), а при выщелачивании сульфидной руды - от плотности орошения, паузы между орошениями, концентрации хлористого натрия (Сх) и едкого натра (С^, которые используются при получении гипохлорита натрия электролизом в электролизере с графитовыми электродами.

Поиск оптимальных режимов выщелачивания производился методом полного факторного планирования экспериментов. Результаты проведенных экспериментов были обработаны методом Бокса-Уилсона. При этом уравнение регрессии выщелачивания окисленной руды приняло вид:

7 = 0,71 + 0Д2р - 0,45т + 0,39Ск,

а сульфидной:

У =0,22 + 0,14р - 0,1т + 0,2С + 0.02С .

Н X

Получив адекватное уравнение регрессии методом крутого восхождения, были получены оптимальные режимы выщелачивания молибдена из окисленной руды: концентрация серной кислоты 14 г/ дм3, плотность орошения 40 дм'/т, пауза между орошениями 1 сутки, а сульфидной руды: плотность орошения до 130 дм3/т, пауза между орошениями 1 сутки, концентрация хлористого натрия 120 г/ дм3, едкого натра 3 г/дм3, гипохлорита натрия 5 г/дм3.

В оптимальном режиме были продолжены исследования по выщелачиванию руд, результаты которых приведены на рис. 1. Анализируя ход кривых зависимости извлечения меди и молибдена от продолжительности выщелачивания окисленной руды, можно констатировать следующее. Ход выщелачивания молибдена можно четко разделить на 2 этапа. На первом этапе идет интенсивное рас-

творение молибдена, находящегося в основном в оксидных формах. На втором этапе скорость растворения молибдена резко падает, что вызвано сульфидным характером оставшихся в руде его минералов, растворение которых а сернокислых растворах идет крайне медленно. В то же время эти сульфиды при попадании атмосферных осадков растворяться практически не будут и не будут загрязнять сток с отвалов.

Ход кривой зависимости извлечения меди от продолжительности выщелачивания окисленной руды можно условно разделить на 3 этапа. На первом этапе низкая скорость выщелачивания меди объясняется приоритетным растворением оксидов молибдена и железа, а также нейтрализацией содержащихся в руде породообразующих минералов основного характера. На втором этапе процесс резко ускоряется. В этот период извлекается более 40% меди и почти 10% железа за счет выщелачивания легкорастворимых оксидов и вторичных сульфидов меди. Третий этап самый медленный. Оставшиеся в этот момент в руде минералы меди и железа либо находятся в трудно растворимых первичных сульфидах или в оксидных формах, но внутри кусков руды, куда раствор проникает с большим трудом. Таким образом, можно констатировать, что из руды в этот момент извлечены растворимые в слабых растворах серной кислоты загрязнители: медь, молибден и железо.

Ход кривых зависимости извлечения металлов от продолжительности комбинированного выщелачивания сульфидной руды, как и окисленной, можно условно разделить на три этапа. На первой стадии идет интенсивное окисление и растворение молибденита с высокой степенью дефектности кристаллической структуры гипохло-ритными растворами. Затем, когда основная масса молибденита с высокой дефектностью кристаллической структуры растворена, скорость выщелачивания молибдена резко снижается из-за того, что хорошо раскристаллизованный молибденит при указанных режимах процесса растворяется крайне медленно. На этой стадии медь, находящаяся во вторичных сульфидах, подвергается окислению ги-похлоритом натрия. Но растворимость ее в такой щелочной среде минимальна. Поэтому на второй стадии выщелачивание проводили сернокислотными растворами, что приводило к резкому возрастанию скорости выщелачивания меди за счет растворения оксидов и

О 200 400 '600 $00 Прода/1яситмкноемь , сут.

Рис. 1. Зависимость извлечения молибдена (1) и меди (2) из окисленной (а) и сульфидной (б) руд от продолжительности выщелачивания.

вторичных сульфидов меди. На третьем этапе скорость выщелачивания меди из-за медленного растворения первичных сульфидов резко падает. Это показывает, что из руды извлечены легкорастворимые загрязнители и опасность загрязнения стока с отвалов снижается.

После водной промывки руды в перколяторе в количестве, равном 100 дм3 на 1 т, рН выщелоченной породы стал равным 5,0, что позволяет успешно проводить биологическую рекультивацию (см. ГОСТы 17.5.4.02-84,17.5.1.03-86,17.4.1.02-83).

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ХИМИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ОТВАЛОВ ОКИСЛЕННЫХ И ЗАБАЛАНСОВЫХ СУЛЬФИДНЫХ РУД ЖИРЕКЕНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

В результате проведенных исследований экологического состояния района складирования отвалов, выщелачивания проб руд с них, а также переработки продуктивных растворов нами выработан общий подход и принципиальные технологические схемы химической мелиорации отвалов окисленных и сульфидных молибденовых руд Жирекенского месторождения. Эти технологические схемы включают следующие операции:

- проведение мероприятий по защите подземных вод от загрязнения инфильтрационными водами и растворами выщелачивания;

- горно-техническую рекультивацию;

- выщелачивание руд оборотными растворами с целью извлечения главных загрязнителей (меди, железа, молибдена), находящихся в легкорастворимых формах;

- извлечение молибдена и меди из продуктивных растворов в товарную продукцию;

- после окончания выщелачивания проведение водной промывки отвала с целью приведения породы в соответствие с требованиями ГОСТ для рекультивации;

- биологическую рекультивацию отвала с целью дальнейшего использования в хозяйственной деятельности.

Технологическая схема химической рекультивации отвала окисленных молибденовых руд заключается в следующем (рис. 2). Перед выщелачиванием строятся прудки для сбора загрязненных над-

мерзлотных и поверхностных вод, а также бурятся наблюдательные гидрогеологические скважины для наблюдения за состоянием надмерзлотных и подмерзлотных вод, а в случае необходимости откачки их, например, эрлифтом или погружным насосом в сборные прудки.

Поверхность отвала выравнивают, на ней нарезают оросительные прудки, а по бровкам прокладывают перфорированные полиэтиленовые трубы для орошения руды разбрызгиванием. Орошающие растворы готовят в смесителе, куда подают оборотные растворы и серную кислоту, доводя ее концентрацию в них до 10-14 г/дм3. Вышедшие из-под отвала растворы собирают в головном прудке, откуда часть их (до 25%) подают на установку для извлечения металлов, а другую часть - в смеситель для подкисления и вновь на отвал. Извлечение молибдена из растворов целесообразно осуществлять сорбцией на смоле ВП-1П. В связи с тем, что медь начинает интенсивно извлекаться после извлечения основного количества молибдена, то ее можно также селективно сорбировать на ионите типа КУ-2х8. Требующаяся для технологии серная кислота может быть получена на обогатительной фабрике из производимого на ней пиритного концентрата. Потери растворов на испарение и технологические нуиоды следует восполнять из сборных прудков. После извлечения из отвала легкорастворимых соединений меди и молибдена его промывают водой и подвергают биологической рекультивации.

Как было сказано выше, для наблюдения за надмерзлотными и подмерзлотными водами необходимо пробурить и оборудовать специальные гидрогеологические скважины. Бурение таких скважин, в особенности до уровня подмерзлотных вод, сопряжено со значительными трудностями. Буровой инструмент проходит рудный отвал (обломочный материал крепких пород), слой элювиально-делювиальных отложений (породы переменной крепости), зону вечной мерзлоты, где инструмент зажимает (замораживает) при первой же остановке, а также обводненный слой коренных пород. Как видно из характеристики породы, бурение следует вести одним инструментом с обсадкой до зоны вечной мерзлоты. Только в этом случае можно избежать искривления скважины. Для бурения подобного рода скважин на заводе "Уралбурмаш" при участии автора дис-

Вода из сборного

ПРУД« _

Оборотный

раствор

Серная кислота

Подготовка вшаелачившщего _раствора_

Выщелачяв,

раствор

ВышеяачяХние

п X-

Продуктивный раствор

Сбор и отстаивание в

Окисленная руда

Проведение мероприятий по защите подземных вод от _загрязнения_

Горно-техническая рекультивация

Отвал окислйнннх руд_

В оборот

Осветленнь й саствоо

■

Г- 2 эт£а На извлечение моявбдена сорбцией на сколе ВП-С|

2-1^ этап На извлечение меди сорбцией на смола КУ-2Х8

I

раствор с установка извлечения металлов

небаланс

Нейтрали гадая в хвостохрана-лжца _

фильтрат на биологачесхий ппудоа_

Вода из сборного ШШ_

Отвал после извлечения металлов-загряэ-нителей__

Промывка отвала

Промывная вода

Отвал на биологическую рекультивации_

5ро1

Сброс очищенных вод в реуу

Рис. 2. Технологическая схема химической рекультивации отвала окисленных руд Жирекенского месторождения.

сертации разработано буровое трехшарошечное долото III 190.5Т-ЦВ. Долото представляет собой неразъемную конструкцию из сваренных между собой трех лап. На цапфах лап смонтированы шарошки на трех подшипниках, один из которых радиальный роликовый и два радиально упорных, которые являются замковыми и удерживают шарошку от осевого перемещения. Шарошки самоочищающиеся, что очень важно при бурении по вечной мерзлоте, с фрезерованными зубьями, армированными твердым сплавом. Геометрия шарошек обеспечивает скалывающе-дробящее и минимальное по-воротно-скалывающее действие, что повышает долговечность режущих элементов.

Разработанная технологическая схема химической рекультивации отвалов сульфидных молибденовых руд является двухстадий-ной (рис. 3). На первой стадии выщелачивание проводят гипохло-ритными растворами. Для защиты атмосферы от попадания в нее хлора все коммуникации герметизируют, а подачу раствора в отвал следует осуществлять через скважины глубиной до 1 м, обсаженные перфорированными полиэтиленовыми трубами. Часть продуктивного раствора возвращают на регенерацию гипохлорита и выщелачивание, а другую часть (до 25%) - на извлечение молибдена сорбцией на анионите АМ-2Б. После извлечения из руды более 50% молибдена необходимо начать извлечение меди из руды сернокислыми растворами.

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РАЗРАБОТАННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ

Результаты проведенной технико-экономической оценки разработанных технологических схем химической рекультивации отвалов Жирекенского рудника в ценах 1997 г. приведены в табл. 2.

Вода из сборного прудка

Хлористый натрий

Ехкяй

Сульфидная руда

Проведение? мероприятий по защите подземных вод от загрязнения

1ГР.

т

Генерация пшохлорита натрия в электролизере

Горяо-техническая рекультивация

Выщелачнвавдай раствор

Ввделачиэаяя»

Отвал сульфидных хп

(

Продуктивный раствор

Мор а отстаивание в хвостовом прудка

Осветленный раствор

овкз уз да

Раствор в оборот

На извлечение молибдена

Вода нз

сйороного

прудка

Серная кислота

Раствор з оборот

Дебаланс » хвоотохранилищэ

На очлстку в биодруда

Сброс вод

очищенных

адготсвяа шщелачаващего раствора

Вшаелачлза

1тие

Хвосты после

выщелачивания

На извлечение медя { ^

Раствор в Рафинированная медь в оборот

Прошвха ВОДОЗ из сборного пруЗ|ка

На биологическую рекулыиэя цта

Дебадаяс в хвостохрзшшвда

Рис. 3. Технологическая схема химической рекультивации отвала бедных сульфидных руд Жирекенского месторождения.

Таблица 2

Технико-экономические показатели

Величина показателей

№ Наименование показателей переработки руд

окисленной сульфидной

1. Масса руды в отвале, тыс.т 3405 6500

2. Содержание в руде, %:

молибдена 0,072 0,031

меди 0,11 0,13

3. Извлечение из руды, %:

молибдена 80 55

меди 50 35

4. Продолжительность выщелачивания, сезонов:

молибдена 2 4

меди 5 4

5. Количество получаемых в год, т.

молибдена 980 285

меди 375 740

6. Капитальные затраты на строительство,

млн рублей 11550 15930

7. Стоимость произведенной продукции в год, млн рублей:

на первой стадии 68600 19950

на второй стадии 4500 8880

8. Себестоимость производства в год, млн рублей:

молибдена 17773 8584

меди 2912 4088

9. Окупаемость капитальных затрат, лет 0.4 2,4

ВЫВОДЫ

1. В настоящее время за счет открытой отработки Жирекенского и других молибденовых месторождений накоплены значительные запасы забалансовых руд и минерализованных пород, которые загрязняют водные источники. За счет рекультивации можно снизить загрязнение водных объектов и вернуть занятые площади для хозяйственной деятельности. Рекультивация должна проводиться в три этапа: горно-техническая, химическая и биологическая. Химическая рекультивация может эффективно осуществляться с использованием методов и приемов кучного выщелачивания, которое для подобного типа руд должно проводиться в две стадии: на первой -сернокислотное или гипохлоритное выщелачивание молибдена, а на второй - сернокислотное выщелачивание меди.

2. Для уточнения вещественного состава горной массы в отвалах разработаны способ их бурения и специальная бурильная головка К 212,7/80 ТКЗ.

3. Процесс выщелачивания молибдена из окисленных и сульфидных руд можно разделить на 2 этапа, а ход извлечения другого загрязнителя - меди - на 3 этапа.

4. Определены зависимости выщелачивания молибдена и меди из окисленных и сульфидных руд от основных технологических параметров процесса. Методом математического планирования экспериментов найдены оптимальные режимы сернокислотного выщелачивания окисленных руд и гипохлоритно-сернокислотного выщелачивания сульфидных руд. Наиболее приемлемым способом извлечения металлов из растворов является сорбционный.

5. В результате проведенных исследований разработаны технологические схемы комплексной очистки отвалов окисленных и сульфидных руд, включающие мероприятия по защите подземных вод от загрязнения, горно-техническую рекультивацию, химическую ре-

культивацию, извлечение загрязнителей в товарную продукцию, промывку отвала водой и биологическую рекультивацию. Для бурения гидрогеологических наблюдательных скважин разработано специальное долото Ш 190,5 Т-ЦВ.

Осуществление разработанных технологических схем позволит надежно защитить водные объекты от загрязнения стоком с отвалов забалансовых руд и минерализованных пород.

6. При химической рекультивации отвала окисленных руд Жи-рекенского месторождения общее извлечение загрязнителей составит: молибдена - 1960 т, меди - 1875 т, капитальные затраты на рекультивацию - 11550 млн рублей в ценах конца 1996 г., окупаемость капитальных затрат - в течение первого года эксплуатации.

Капитальные затраты на химическую рекультивацию отвала сульфидных руд составят около 16 млрд рублей. При этом за счет извлечения загрязнителей в товарную продукцию (молибдена -1140 т, меди -2960 т) капитальные затраты окупятся за 2,4 года.

При химической рекультивации отвалов минерализованных пород минимальное содержание загрязнителей, при котором возможно их рентабельное извлечение, составляет: молибдена - 0,02%, меди-0,1%.

7. Разработанные технологические схемы и параметры выщелачивания могут быть использованы для химической рекультивации отвалов на других молибденовых месторождениях, например Сорском, Джидинском, Тырныазском и других.

Содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Защита водных объектов от загрязнений техногенными образованиями // Тезисы докладов Всероссийской конференции "Бассейн реки: Зколого-водохозяйственные проблемы рационального водопользования". - Екатеринбург: РосНИИВХ, 1996. - С. 90-91 (Соавтор: Рыбаков Ю.С.).

2. Защита подземных вод от загрязнения отвалами забалансовых руд и минерализованных пород // Там же, что и в п. 1. - С. 91-92 (Соавтор: Рыбаков Ю.С.).

3. Рекультивация отходов горнодобывающей промышленности // Промышленные и бытовые отходы. - Уфа: ИППЭП, 1996. - Т. 2. -С. 44-46 (Соавторы: Рыбаков Ю.С., Дальков М.П.).

4. Бурение техногенных образований для защиты водных объектов от загрязнения// Материалы Всероссийской конференции "Управление устойчивым водопользованием". - М.-Екатеринбург: Рос-НИИВХ, 1997. - С. 36-37.

5. Очистка отвалов руд и пород от экологически опасных загрязнителей водных объектов // Там же, что и в п. 4. - С. 163-165 (Соавторы: Рыбаков Ю.С., Комин A.B., Ортвайн Б.).

6. Использование техногенных образований АО "Алтайполиме-талл" // Тезисы докладов научно-технической конференции "Техно-ген-97". -Екатеринбург, 1997. - С. 19 (Соавторы: Рыбаков Ю.С., Комин A.B., Стрегучевский И.И., Козырев В.Г.).

7. Переработка техногенных образований как способ защиты водных объектов от загрязнений // Там же, что и в п. 6. - С. 19-20 (Соавторы: Рыбаков Ю.С., Комин A.B., Кутищев В.Г., Ортвайн Б.).

8. Разработка технологических схем химической рекультивации отвалов руд и минерализованных пород//Тезисы докладов научно-практического семинара на ме>едународной выставке "Уралэколо-гия-97". - Екатеринбург, 1997. - С. 76-77 (Соавторы: Рыбаков Ю.С., Комин A.B.).

9. Положительное решение по заявке о выдаче патента Российской Федерации на изобретение № 96118961/03 (025313) от 23.09.96, МПК Е 21 В 43/28. Способ опробования отвалов руд и минерализованных пород при геотехнологической отработке и химической рекультивации (Соавторы: Рыбаков Ю.С., Пирмагомедов Д.А., Шевелева Л.Д.).

10. Кучное выщелачивание окисленных руд Жирекенского молибденового месторождения // Горный журнал - В печати (Соавторы: Рыбаков Ю.С., Халезов Б.Д., Жижин С.М., Болтырова A.A.).