«ПЕШКОВ АЛЕКСЕЙ МИХАЙЛОВИЧ ОБОСНОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К КАЧЕСТВУ РУД И ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ ПРИ КОМПЛЕКСНОМ ОСВОЕНИИ МЕДНО-КОЛЧЕДАННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ УРАЛА Специальность 25.00.21 – Теоретические основы проектирования ...»

Институт проблем комплексного освоения недр

Российской академии наук

На правах рукописи

ПЕШКОВ АЛЕКСЕЙ МИХАЙЛОВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К КАЧЕСТВУ РУД И

ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ ПРИ КОМПЛЕКСНОМ

ОСВОЕНИИ МЕДНО-КОЛЧЕДАННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

УРАЛА Специальность 25.00.21 – «Теоретические основы проектирования горнотехнических систем»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук М.В. Рыльникова Москва-2014 г.

Содержание Введение…………………………………………………………………………. Анализ влияния качественных характеристик медноколчеданного сырья на выбор комбинированной геотехнологии……… 1.1. Горно-геологические и горнотехнические особенности медноколчеданных месторождений Урала………………………………………….. 1.2. Характеристика техногенных образований на основе отходов добычи и переработки медно-колчеданных руд…………………………………………. 1.3. Требования к качеству природного и техногенного сырья при комбинированной разработке медно-колчеданных месторождений………. 1.4. Методы обоснования требований к качеству сырья при комбинированной разработке природных и техногенных месторождений… 1.5. Цель, задачи и методы исследования…………………………………… Развитие научно-методических основ обоснования условий 2.

реализации комбинированной геотехнологии в соответствии с требованиями к качеству медно-колчеданного сырья ………………….. 2.1. Факторы, определяющие требования к качеству сырья при комбинированной геотехнологии……………………..……………………….. 2.2. Особенности научно-методического подхода к обоснованию требований к качеству сырья, вовлекаемого в эксплуатацию в полном цикле комплексного освоения месторождений………………………………………. 2.3. Методика обоснования требований к качеству природного и техногенного сырья при комплексном освоении рудного месторождения… Выводы по 2 главе……………………………………………………………... Исследования влияния качественных характеристик медноколчеданного сырья на выбор стратегии комплексного освоения месторождения………………………………………………………………… 3.1. Определение технологических показателей переработки техногенного медно-колчеданного сырья в опытно-промышленных условиях…………… 3.2. Влияние факторов на требования к качеству природного и техногенного медно-колчеданного сырья…………………………………… 3.3. Исследования влияния геологических факторов на требования к качеству природного и техногенного сырья……………………………….. 3.4. Исследования влияния технологических факторов на требования к качеству природного и техногенного сырья……………………………….. 3.5. Исследования влияния экономических факторов на требования к качеству природного и техногенного сырья……………………………….. Выводы по 3 главе……...…………………………………………………….... 4. Разработка технологических рекомендаций по комплексному освоению Ново-Учалинского месторождения комбинированной физико-технической и физико-химической геотехнологией……… 4.1. Обоснование технологических рекомендаций по комплексному освоению Ново-Учалинского месторождения с учетом требований к качеству руд и техногенного сырья…………………………………… 4.2. Оценка экономической эффективности предлагаемой технологической схемы…………………………………………………………………… Выводы по 4 главе…………………………………………………………… Заключение…………………………………………………………………… Библиографический список………………………………………………… Введение Важнейшим направлением повышения эффективности освоения рудных месторождений является рациональное использование природных и техногенных ресурсов. Быстрые темпы развития горной промышленности России привели к истощению богатых по содержанию балансовых запасов месторождений и к накоплению на поверхности Земли значительных объемов техногенного сырья, качественные характеристики которого часто сопоставимы с содержанием ценных компонентов в перспективных месторождениях. Так, за последние 50 лет содержание основных ценных компонентов в добываемой руде на медно-колчеданных месторождениях Южного Урала значительно снизилось. Содержания меди снизилось в 2, раз, цинка, золота и серебра, соответственно в 3,1, 2 и 1,5 раза. Доля перерабатываемого сырья. Среднее сквозное извлечение полезных компонентов остается в течении многих лет практически на одном уровне.

Остаются в недрах и теряются при переработке более 50% полезных ископаемых. Причем, богатые по содержанию металлов крупные медноколчеданные месторождения Южного Урала, такие как Учалинское, Сибайское, Гайское, Молодежное, Александринское, находятся в стадии доработки. При этом в результате отработки запасов и переработки руд медно-колчеданных месторождений Урала накоплено более 1,5 млрд.т.

техногенного сырья, которое может быть рассмотрено как альтернативный источник получения меди, цинка, железа, других цветных, драгоценных и редких металлов. Кроме того, в регионе есть резервные медно-колчеданные месторождения, которые в настоящее время не вовлечены в эксплуатацию, ввиду низкого качества руд (Западно-Озерное), малых объемов балансовых запасов (Озерное), значительной глубины залегания рудных тел (НовоУчалинское, месторождения Подольской группы).

Эффективно вовлечь данные запасы в разработку возможно лишь сочетанием физико-технической и физико-химической геотехнологий в полном цикле комплексного освоения месторождений с обоснованием требований к качеству вовлекаемого в эксплуатацию природного и техногенного минерального сырья. Однако, в настоящее время методика обоснования требований к качеству руд и техногенного сырья в полном цикле комплексного освоения месторождений отсутствует. Поэтому разработка нового методического подхода к обоснованию требований к комбинированной физико-технической и физико-химической геотехнологии представляет весьма актуальную задачу.

';

Целью диссертационной работы является разработка методики определения требований к качеству медно-колчеданного сырья, вовлекаемого в эксплуатацию комбинированной физико-технической и физико-химической геотехнологией, обеспечивающей повышение полноты и комплексности освоения месторождений медно-колчеданных руд и сопутствующих техногенных образований.

Идея работы состоит в том, что повышение эффективности освоения медно-колчеданных месторождений и сопутствующих техногенных образований комбинированной геотехнологией обеспечивается путем дифференциации требований к качеству минерального сырья по видам применяемых геотехнологий в полном цикле комплексного освоения месторождений.

Задачи исследований:

- обобщение методик обоснования требований к качеству рудного и техногенного сырья, вовлекаемого в эксплуатацию физико-техническими и физико-химическими геотехнологиями;

особенностей вещественного состава медно-колчеданного природного и техногенного сырья, способов его добычи и переработки, экономических факторов на требования к качеству вовлекаемых в разработку минеральных ресурсов;

- оценка требований к качеству природного и техногенного сырья по видам применяемых геотехнологий;

- разработка методики обоснования требований к качеству природного и техногенного сырья в полном цикле комплексного освоения рудного месторождения;

- разработка технологических рекомендаций по комплексному освоению месторождения «Ново-Учалинское» комбинированной физико-технической и физико-химической геотехнологией.

Для решения поставленных задач в качестве объекта исследований выбраны горнотехнические системы комплексного освоения месторождений медно-колчеданных руд этажно-камерной системой разработки с твердеющей закладкой выработанного пространства и кучным выщелачиванием окомкованных хвостов обогащения руд.

Методы исследований:

В работе использован комплексный метод исследований, включающий обобщение и анализ отечественного опыта обоснования требований к качеству минерального сырья, геолого-минералогические исследования и химический анализ, опытно-промышленные испытания показателей геотехнологий, имитационное моделирование, экономико-математический анализ и технико-экономические расчеты с обработкой результатов исследований методами математической статистики.

Положения, выносимые на защиту:

При проектировании полного цикла комплексного освоения медноколчеданных месторождений величина минимального промышленного содержания металлов в добываемых запасах должна быть дифференцирована по видам применяемых физико-технических и физико-химических геотехнологий с учетом эффекта от утилизации техногенного сырья, образующегося при добыче и переработке руд.

В полном цикле комплексного освоения медно-колчеданных месторождений использование хвостов обогащения руд для закладки выработанного пространства позволяет снизить минимальное промышленное содержание в извлекаемых запасах на 8 – 14 % в зависимости от производственной мощности рудника, глубины ведения горных работ, среднего содержания металлов в руде; при этом извлечение физикохимической геотехнологией металлов из хвостов дополнительно снижает минимальное промышленное содержание металлов в руде до 26% в зависимости от цены металлов и уровня их извлечения из хвостов.

Включение в полный цикл комплексного освоения медно-колчеданных месторождений подсистемы формирования и эксплуатации техногенных значения, определяемого показательной функцией = 1 2 Ц образований целесообразно при содержании металлов в хвостах выше 3 Ар 4 т, где b, k 1, k 2, k 3 и k 4 – постоянные, установленные множественной регрессией; п – среднее содержание условной меди в руде, %; Ц – цена меди на бирже, тыс. у.е./т; Ар – производственная мощность подземного рудника по руде, млн. т/год; т – извлечение меди из хвостов обогащения.

Научная новизна работы:

Методика обоснования требований к качеству добываемого сырья, отличающаяся учетом результатов взаимодействия физико-технических и физико-химических геотехнологий в полном цикле комплексного освоения месторождений многокомпонентных руд для совместного вовлечения в эксплуатацию природного и техногенного сырья.

комплексном освоении медно-колчеданных месторождений по видам применяемых геотехнологий с учетом эффекта от утилизации техногенного сырья, образующегося при добыче и переработке руд.

Зависимости минимально-промышленного содержания металлов в извлекаемых запасах медно-колчеданных руд от глубины ведения горных работ, производственной мощности подземного рудника, содержания металлов в руде, стоимости металлов и уровня их извлечения из техногенного сырья.

обеспечивается надежностью и представительностью исходных данных, сопоставимостью результатов экспериментальных лабораторных и опытнопромышленных исследований, обработанных методами математической статистики с использованием современного оборудования и апробированных методик.

Практическая значимость работы состоит в разработке рекомендаций по обоснованию требований к качеству медно-колчеданного сырья, позволяющих определить условия вовлечения в разработку природного и техногенного сырья различного вещественного и качественного состава физико-техническими и физико-химическими геотехнологиями.

Результаты работы использованы при выполнении государственного контракта с Минобрнауки РФ №16.515.11.5065 (руководитель академик РАН К.Н. Трубецкой).

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных конференциях «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (V, VI, VII, VIII, IX и X Международная научная школа молодых ученых и специалистов, Москва, 2008-2013 гг.), научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2009– 2014 гг.), «Комбинированная геотехнология: теория и практика реализации полного цикла комплексного освоения недр» (Магнитогорск, 2011 г.), 66 научно-технической конференции Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова.

Публикации Материалы диссертации опубликованы в 12 работах, в том числе в 4-х изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Работа выполнена в рамках Программы фундаментальных исследований Отделения наук о Земле РАН «Техногенное преобразование недр Земли:

развитие теоретических основ эффективного использования и сохранения георесурсов», а также гранта Президента РФ НШ №.2986.2008.5 для государственной поддержки ведущей научной школы России, возглавляемой академиком РАН К.Н. Трубецким.

Объем и структура работы библиографического списка из 121 наименования и представлена на страницах, включая 42 рисунка, 14 таблиц и 32 формул.

Личный вклад автора состоит в обобщении опыта разработки медноколчеданных месторождений, исследовании влияния качества сырья на показатели физико-технических и физико-химических геотехнологий, разработке методики обоснования требований к качеству природного и месторождений многокомпонентных руд. Автор принимал участие в проведении лабораторных и опытно-промышленных экспериментов по определению технико-экономических показателей кучного выщелачивания техногенного сырья Бурибаевского и Учалинского ГОКов.

Автор выражает благодарность научному руководителю - проф., д-ру техн. наук М.В. Рыльниковой, чл.-корр. РАН Д.Р. Каплунову, доц., канд.

техн. наук Д.Н. Радченко за помощь в работе над диссертацией и ценные советы, а также сотрудникам кафедры ПРМПИ МГТУ им. Г.И. Носова и руководству Бурибаевского и Учалинского горно-обогатительных комбинатов за помощь при проведении исследований.

1. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ КАЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

МЕДНО-КОЛЧЕДАННОГО СЫРЬЯ НА ВЫБОР

КОМБИНИРОВАННОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ

1.1. Горно-геологические и горнотехнические особенности разработки медно-колчеданных месторождений было неразрывно связанно с научным и техническим прогрессом. Появление и внедрение новых технологий добычи и переработки руд позволяет некондиционными. Так, за последние 50 лет содержание основных ценных компонентов в добываемой руде на медно-колчеданных месторождениях Южного Урала значительно снизилось (рис.1.1). Содержание меди снизилось в 2,6 раз, цинка, золота и серебра соответственно в 3,1, 2 и 1,5 раза. Эта осуществляющих разработку месторождений многокомпонентных руд.

3, 3, 3, 2, 1, 1, 1, 1, Рисунок 1.1 - Динамика содержания полезных компонентов в добываемых рудах за период 1960-2010 гг. на медно-колчеданных месторождениях Южного Урала Основная часть запасов медно-колчеданных руд России сосредоточена на месторождениях Южного Урала. В общем минерально-сырьевом балансе России они составляют 28,4% [13]. По глубине залегания все месторождения этого типа условно делятся на глубокозалегающие, средних и малых глубин.

Талганское, Подольское месторождения. Представителями месторождений средних глубин являются Учалинское, Озёрное, Западно-Озёрное, Молодёжное, Сибайское, Бакр-Узяк, Октябрьское, Юбилейное, Гайское.

Месторождения малых глубин представляют Чебачье, Александринское, Камаган, Таш-Тау, Балта-Тау, Майское и Восточно-Семеновское [12,54,113,73].

месторождений Южного Урала приведена в табл. 1.1.

Таблица 1.1 - Параметры залегания и способ разработки медноколчеданных месторождений Южного Урала Глубокозалега Средних Малых глубин металлогенической зоне, представленной двумя девонскими островными дугами – Восточно-Магнитогорской и Западно-Магнитогорской. Учалинский и Верхнеуральский меднорудные районы приурочены к территории Восточно-Магнитогорской дуги. По минеральному составу и генетическим характеристикам месторождений, представленным в табл. 1.1. они относятся к уральскому типу [41].

На выбор геотехнологии освоения месторождения существенное влияние оказывают структурный состав руд и качественные характеристики особенностей и вещественного состава руд основных медно-колчеданных месторождений Южного Урала приведена в табл. 1.2.

Анализ данных таблицы 1.2 свидетельствует, что главными рудными минералами медно-колчеданных месторождений Уральского региона в процентном отношении от общей массы руды являются: пирит (60 – 90), сфалерит (0,2 – 25), халькопирит (0,1 – 10). Второстепенные минералы представлены теннантитом, галенитом, магнетитом, гематитом, борнитом и др. Из нерудных минералов наиболее распространены кварц, серицит, хлорит, барит, кальцит. Редкие минералы представлены эпидотом, сидеритом, гипсом, арагонитом, гранатом, турмалином, пьемонтитом, аксинитом, тинценитом, родонитом, браунитом, опалом, монтмориллонитом, ярозитом, вивианитом и другими. Руды характеризуются неоднородностью Характеристика вещественного состава руд основных медно-колчеданных месторождений Южного Урала распределении ценных компонентов по глубине и по площади рудных залежей, в присутствии вредных примесей, таких, как мышьяк, сурьма, фосфор, ртуть и другие, в изменчивости структурно-текстурных особенностей руд.

Наличие сложных минеральных форм и вредных примесей оказывает влияние на технологические свойства руд, выбор геотехнологии их разработки и требования к их качеству.

Месторождения Южного Урала характеризуются значительными колебаниями содержания ценных компонентов в рудах. Анализ данных, представленных в рис. 1.1 и табл.1.2, показал, что в настоящий момент запасы богатых и рядовых руд истощаются, и все в большей мере вовлекаются в эксплуатацию месторождения с низким содержанием полезных компонентов.

Разрабатываемые и планируемые к разработке медно-колчеданные месторождения Южного Урала: Учалинское, Гайское, Узельгинское, Талганское, Молодежное, Ново-Учалинское, Озерное, Западно-Озерное заключают в себе балансовые запасы медно-колчеданных руд в количестве 793,4 млн.т., в которых содержится 9,7 млн.т. меди со средним содержанием в руде 1,22%, 8,9 млн.т. цинка со средним содержанием 1,12%, а так же 937, т золота и 13215,8 т серебра со средним содержанием соответственно 1,18 г/т и 16,65 г/т и забалансовые запасы в количестве 80,7 млн.т., со средним содержанием меди 0,5%, цинка – 0,39%, золота и серебра, соответственно, 0,75 г/т и 6,39 г/т. Параметры залегания рудных тел (табл. 1.1) и качество руд месторождений определили выбор преимущественно комбинированной геотехнологии их комплексного освоения.

Крутое падение мощного штокообразного рудного тела, качественные характеристики руд Учалинского месторождения предопределили выбор комбинированного способа разработки с последовательным развитием открытых и подземных работ для добычи медных, медно-цинковых и цинковых руд и последующей их флотации на Учалинской обогатительной фабрике.

В пределах залежи выделяют сплошные колчеданные руды (серы более 35 %) и вкрапленные (серы менее 35 %). Руды представлены следующими промышленными типами (сортами): медными (медно-колчеданным - МК и медным вкрапленным - МВ), медно-цинковыми (медно-цинковоколчеданным - МЦК и медно-цинковым вкрапленным - МЦВ), цинковистыми (цинковоколчеданным - ЦК и цинковым вкрапленным - ЦВ) и серно-колчеданным (СК). Цинксодержащие руды составляют 84.26 % запасов, что делает Учалинское месторождение уникальным по запасам цинка среди колчеданных месторождений Уральского региона [65,83].

Требования к качеству запасов, в рамках обоснования кондиций, и их разделение на балансовые и забалансовые были установлены протоколом ГКЗ СССР №4283 от 20.03.1964 г на основе уровня цен на товарную продукцию, действующих в тот период времени и без дифференциации запасов по способам добычи. Очевидно, что своевременный пересмотр кондиций при значительных изменениях цен на металлы, технологий добычи будет способствовать повышению полноты использования запасов месторождения.

На месторождении имеются участки со сложными горногеологическими и горнотехническими условиями с низким содержанием полезных компонентов [68], разработка которых применяемой технологией добычи и переработки руд на данный момент не эффективна [46]. За время разработки месторождения физико-техническими способами накоплены значительные объемы техногенного сырья с значительными содержаниями ценных компонентов (хвосты обогащения, отвальные породы, просыпь сепарации и другие). Эффективно вовлечь в разработку некондиционные руды и накопленные техногенные запасы возможно сочетанием физикотехнических и физико-химических способов добычи и переработки руд и техногенного сырья [20].

Условия залегания (глубина от 630 до 1400 м) и вещественный состав руд перспективного Ново-Учалинского месторождения предопределяют выбор подземного способа его разработки с применением систем с твердеющей закладкой выработанного пространства. Близость месторождения к Учалинскому руднику (рис. 1.2) создает возможность инфраструктурой для вскрытия запасов близлежащего месторождения, что позволяет существенно сократить сроки и стоимость строительства месторождением и Учалинским карьером составляет 2,2 км.

Главное рудное тело Ново-Учалинского месторождения представляет собой меридионально вытянутую деформированную линзовидную залежь.

Протяженность рудного тела по простиранию составляет 1400 м (от профиля 26ю на севере до профиля 52ю на юге) [37,76]. Средний угол погружения рудной залежи в южном направлении 40°. Глубина по вертикали от дневной поверхности до верхней выклинки в северной части - 625 м, в южной - м. Мощность рудного тела изменчива: максимум зафиксирован в северной части - 186 м [37,76]. В центральной части рудного тела наблюдается некоторое уменьшение мощности - до 70 м. В южной части отмечается тенденция к увеличению мощности до 140 м, что придает рудному телу гантелеобразную форму (рис. 1.3) [67].

выражающееся в ответвлении от лежачего бока основной рудной залежи небольшого линзообразного тела (рудное тело № 2). В северном направлении оно все больше расходится с основным рудным телом, где расстояние между ними достигает 80 м, при этом происходит резкое уменьшение мощности рудных тел до полного их выклинивания. Морфология рудного тела № сходна с морфологией главного рудного тела [67].

Рисунок 1.2 - Линия среза АБС на продольном разрезе через: I – Учалинское и II – Ново-Учалинское месторождения Запасы месторождения были утвержденны Протоколом РКЗ РБ (протокол № 2/966 от 20.05.98) и подсчитаны по временным кондициям, утвержденным ЦКЗ Министерства металлургии СССР (протокол N 625-вк от 15.03.1991) [37]. С того времени, цены на медь и цинк выросли почти в раза, и, несомненно, что экономически обоснованные требования к минимально-промышленному содержанию условной меди в запасах месторождения существенно снизились.

Месторождение характеризуется достаточно большими запасами, но является довольно бедным, содержание меди – 0,95% и цинка – 2,38%.

Попутными элементами являются золото, серебро, свинец, кадмий, селен, теллур, германий и др. Сложные инженерно-геологические условия – большая глубина залегания, склонность руд к самовозгоранию, наличие тектонических нарушений существенно осложняют технологию подземных горных работ. Эффективная разработка Ново-Учалинского месторождения возможна при применении инновационных геотехнологий с использованием горно-капитальных выработок действующего Учалинского рудника для вскрытия запасов, вовлечения в разработку бедных по содержанию руд комбинированными физико-техническими и физико-химическими методами геотехнологиями с утилизацией отходов переработки руд в закладке выработанного пространства.

Горнотехнические условия Гайского месторождения характеризуются мощным слоем покрывающих пород, многочисленными крутопадающими рудными телами, имеющими значительные суммарные запасы ценных руд, крайне неравномерным распределением металлов и сопутствующих элементов в верхней части месторождения, склонностью отдельных рудных тел к эндогенным пожарам. Это предопределило выбор комбинированного способа разработки месторождения с параллельным ведением открытых и подземных горных работ и флотацией руд на Гайской обогатительной фабрике.

Месторождение представлено сплошными рудами (содержание серы более 35%) и прожилково-вкрапленными (содержание серы - менее 35%).

Руды представлены пятью промышленными сортами руд: медными (медный колчедан - МК), медно-цинковыми (МЦ), цинковыми (Ц), серно-цинковыми (СЦ) и серными (серный колчедан – СК). Наибольшие объемы запасов представлены медными рудами и составляют 68,5%. Подсчет запасов, производился по кондициям, разработанным Гайским ГОКом и ПГО «Башкиргеология» и утвержденным ГКЗ СССР 24.11.1989 (протокол «2386к). Количество балансовых запасов составляет 473,6 млн. т. со средним содержанием меди 1,33%, цинка – 0,49%, золота – 1,2 г/т и серебра – 11,6 г/т.

Забалансовые запасы составляют 38,24 млн. т. со средним содержанием меди - 0,37%, цинка – 0,2%, золота и серебра, соответственно, - 0,39 г/т и 4,03 г/т.

Для снижения эксплуатационных затрат и повышения эффективности освоения месторождения используются хвосты обогащения руд для закладки выработанного подземного пространства. Повысить эффективность освоения геотехнологиями.

Сложное строение Узельгинского месторождения, где оруденение представлено в верхнем и нижнем ярусе, разделенные 200-280 метровой предопределило первоочередную выемку запасов нижнего яруса, руды которого характеризуются более низким содержанием вредных примесей – мышьяка, сурьмы и фосфора.

Вскрытие Узельгинского месторождения осуществлено пятью вертикальными стволами и наклонным съездом. На месторождении выделяются следующие промышленные сорта и минеральные типы руд:

медно - колчеданный; медно – цинково-колчеданный; цинково–колчеданный и серно-колчеданный (пиритовый, пирит - пирротиновый, пирротиновый) [42,93]. Всего на месторождении до начала эксплуатации оконтурено медно – колчеданных и медных вкрапленных руд – 37,3 %; медно-цинковоколчеданных, цинково-колчеданных, медно-цинковых вкрапленных и цинковых вкрапленных – 55,7 %; серно-колчеданных – 7 %. Балансовые запасы руд на 01.01.2003 были представлены в количестве 77,9 млн. т. со средним содержанием в них меди – 1,35%, цинка – 2,33%, золота и серебра, соответственно, - 1,64 г/т и 29,5 г/т. Забалансовые запасы представлены 1, млн.т. руды со средним содержанием меди – 1,2%, цинка – 0,47% и серебра – 5,1 г/т. Запасы месторождения были подсчитаны на основе кондиций, утвержденных протоколом ГКЗ СССР № 708-К, от 31.06.1973г.

Наличие вредных примесей и низкое качество колчеданного сырья, непригодного для флотации, позволило вовлечь в разработку только рудных тел из 64, геологически оконтуренных на месторождении. Причем, отдельные забалансовые рудные тела месторождения, фактически уже вскрытые подземными выработками, теряются в недрах, что влечет потери ценных компонентов и низкое качество освоения недр. Вовлечение в промышленную эксплуатацию некондиционных руд, непригодных для обогащения методом флотации, возможно на основе внедрения технологии, основанной на сочетании физико-технических и физико-химических процессов.

окисленными рудами со средним содержанием меди 0,59%, осуществляется методом скважинного подземного сернокислотного выщелачивания.

Разработка этого месторождения была начата еще в 1702 году. После кондиционной медной руды исчерпались. Остались так называемые медьсодержащие глины. Первоначально разведка велась под подземный или открытый способ отработки, но результаты технико-экономических расчетов показали, что добыча оставшихся запасов физико-техническими геотехнологиями с переработкой окисленных руд методом флотации – нерентабельна.

«Уралмеханобр» дали положительное заключение на переработку этих глин выщелачиванием с переработкой продуктивных растворов методами гидрометаллургии. Испытания нового способа добычи начались в 2000 году.

Технология предусматривает выщелачивание медной руды с переводом ионов меди в раствор, из которого позднее и выделяется медь.

Работы по скважинному выщелачиванию меди были начаты в 2004 г.

Пилотная установка извлечения меди из руды Гумешевского месторождения была разработана акционерным обществом Уралгидромедь совместно с SNCLavalin Europe Limited (Великобритания) и Уральской технологической компанией. В результате на Гумешевском месторождении было пробурено около 100 скважин. В процессе апробации технологии достигнута производительность 20 тонн цементной меди в месяц.

На месторождении выделяются по вещественному составу четыре типа руд: скарноиды, бурые железняки, дезинтегрированные первичные руды и техногенно-измененные руды под воздействием подземных работ.

Результаты опытно-промышленной разработки Гумешевского месторождения показали перспективность и эффективность скважинного способа подземного выщелачивания окисленных и полуокисленных руд в зоне техногенеза и указали на необходимость пересмотра кондиций в целом по месторождению [87]. В настоящее время извлечение меди в продуктивные растворы ведется на двух участках. Переработка продуктивных растворов осуществляется в комплексе экстракции и электролиза, где из полученного раствора получают высококачественные медные катоды марки М00К.

Горно-геологические условия и качественные характеристики руд Юбилейного месторождения предопределили комбинированный способ разработки сочетанием физико-технических и физико-химических процессов. Медно-колчеданное месторождение «Юбилейное» включает рудных залежей и приурочено к третьей толще баймак–бурибаевской свиты, разделяемой на нижнюю «дацитовую» и верхнюю «базальтовую» подтолщи.

Рудные залежи перекрыты мощной (70-80 м) толщей песчано-глинистых и гравийно-галечно-валунных отложений юрского возраста. Рудовмещающие породы интенсивно изменены до серицит-кварцевых, хлорит-кварцевых, хлорит-серицит-кварцевых пород.

Верхние части Первой и Третьей залежей представлены зоной бурых железняков, зоной окисления и зоной вторичного сульфидного обогащения.

Глубина залегания Первой – Третьей залежей, проектируемых к отработке открытым способом, изменяется от 52 до 364 м. Глубина залегания Шестой залежи, включающей 70% всех запасов месторождения, достигает 1300 м.

Бурые железняки представляют типичную для медно-колчеданных месторождений Южного Урала «железную шляпу» с высокими содержаниями благородных металлов [66]. Из-за низкой изученности качественных характеристик бурых железняков в 1973 г. не было сделано окончательного заключения об их промышленной ценности, поэтому в 1987гг. были проведены поисково-оценочные работы на бурые железняки, составлено ТЭС, в котором месторождению дана положительная оценка как объекта промышленной значимости и запасы были поставлены на баланс по кондициям, утвержденным протоколом РКЗ РБ №3/955 от 31 марта 1997 г.

По данным ООО «Башкирская медь» балансовые запасы золотосодержащих бурожелезняковых руд по состоянию на 1996 г. составляют 433 тыс. т со средним содержанием золота – 6,64 г/т и цинка – 10,85 г/т. Забалансовые запасы составляют 126,5 тыс. т, со средним содержанием в них золота и серебра, соответственно, - 1 г/т и 3,2 г/т. В настоящее время большая часть этих запасов отработана.

Руды месторождения представлены тремя минеральными типами (промышленными сортами): пиритовыми (серноколчеданными), халькопирит-пиритовыми (медными), сфалерит-халькопирит-пиритовыми (медно-цинковыми). Основными ценными компонентами являются – медь, цинк, сера, золото и серебро со средним содержанием, соответственно, 1,56%, 1,01%, 40,4%, 1,48 г/т и 12,32 г/т. Сопутствующие компоненты представлены кадмием, селеном, теллуром, германием, индием, таллием и галлием.

Отработка месторождения осуществляется открытым способом с кучным выщелачиванием цианидами бурых железняков и обогащением методом флотации сульфидных руд. Дальнейшая отработка месторождения планируется комбинированной физико-технической и физико-химической геотехнологией, что обусловлено значительными колебаниями содержания ценных компонентов в рудах и присутствия окисленных минералов [112].

Значительная глубина Озерного месторождения и относительно высокое содержание меди на нижних горизонтах рудной залежи предопределяют эффективность подземного способа разработки с применением этажно-камерных систем с твердеющей закладкой выработанного пространства. Главным является рудное тело №1 (рис. 1.4), заключающее 99,3% балансовых и 93,0% забалансовых запасов руд. Форма тела - грибовидный шток, размер его верхней части в плане - 300200 м, длина по падению 300 м. С глубины 400 м, рудное тело расщепляется на апофизы длиной до 40 м и мощностью 5-8 м.

Рисунок 1.4 - Геологический разрез Озерного месторождения.

На месторождении представлено по минеральному типу пять сортов руд:

медистый сплошной и вкрапленный колчедан, серный колчедан, медноцинковые и цинковые. К промышленным сортам относятся медистые сплошные и вкрапленные руды, и серный колчедан. 64% балансовых запасов представлено сплошными рудами и 36% - вкрапленными. Промышленные запасы характеризуются содержанием меди – 2,82%, цинка – 0,13%, золота и серебра соответственно – 0,25 и 0,75 г/т. Также присутствуют значительные содержания селена, индия, теллура, кадмия, таллия и других попутных компонентов содержанию меди руды. Здесь находятся все запасы собственно-цинковых руд, 95,7% запасов серного колчедана и 12,8% запасов непромышленных медных руд. Среднее содержание меди в забалансовых запасах составляет 0,44%, цинка – 0,88%, золота – 1,1 г/т, серебра – 11,7 г/т, селена – 0,03%, теллур – 0,01%. В результате испытаний [52] медных и медно-цинковых руд по схеме прямой селективной флотации были получены результаты, которые свидетельствуют о нецелесообразности обогащения данной руды таким месторождению) в разработку возможно за счет комбинирования физикотехнических и физико-химических процессов, что будет способствовать росту эффективности и комплексности освоения месторождения [78,81].

Расположение рудных тел Западно-Озерного месторождения в двух рудоносных уровнях обуславливает перспективность применения комбинированного открыто-подземного способа разработки с последовательно-параллельным ведением открытых и подземных горных работ [52]. Оруденение месторождения представлено 15-ю рудными телами линзообразной формы субгоризонтального залегания на глубинах 30 – 520 м в пределах нижнего и верхнего уровней. На нижний рудоносный уровень приходится 88% запасов, на верхний – 12%. На месторождении оконтурено 15 колчеданных тел. Почти весь объем балансовых руд месторождения (98,7%) сосредоточен в рудных телах №1-3, наиболее крупное из них рудное тело №1 содержит 78,7% руды и 63,2% меди. Балансовые запасы руд характеризуются значительным содержанием меди – 0,82%, цинка - 0,74%, серы – 42,5%, золота и серебра, соответственно, – 1,5 и 2,3 г/т. Количество забалансовых запасов - незначительное и составляет около 1,5% в целом по месторождению.

Месторождение представлено тремя промышленными сортами руд:

медные, медно-цинковые, серные. Медные руды, приуроченные к различным участкам рудных тел, составляют около 59% запасов месторождения, медноцинковые – около 41%. Серноколчеданные руды месторождения имеют крайне незначительное развитие в висячем боку рудного тела №1. Проектом, выполненным ФГУП «ГИПРОЦВЕТМЕТ», предусмотрена первоначальная отработка верхней части месторождения, количество запасов которого составляет около 6 млн. т, открытым способом с флотацией руд на Учалинской обогатительной фабрике. Сложное строение руд и присутствие окисленных минералов выявили нерентабельность флотации, ввиду низкого извлечения меди – не более 30-55%. В настоящее время ведется поиск эффективных технологий переработки руд, работы по их добыче на месторождении временно приостановлены. Запасы, залегающие ниже дна карьера, могут быть вскрыты наклонным стволом непосредственно из карьерного пространства. Это позволит существенно сократить сроки вскрытия и объем горно-капитальных работ. Системы разработки на подземном руднике – камерные и слоевые с твердеющей закладкой выработанного пространства. Повысить эффективность освоения месторождения возможно за счет использования хвостов обогащения в закладке выработанного пространства после доизвлечения из них ценных компонентов методом кучного выщелачивания во внутрикарьерном пространстве, либо применением комбинированных методов переработки руд.

одноименным карьером глубиной 525 м [40,85]. Распределение оставленных запасов руды по периметру бортов и в основании карьера, низкие прочностные характеристики руды и вмещающих пород при действии высоких сдвигающих нагрузках от деформирующихся высоких бортов карьера обуславливали необходимость применения для доработки месторождения систем разработки с твердеющей закладкой выработанного пространства при малых допустимых пролетах обнажений. Сложившаяся горнотехническая ситуация не позволяет эффективно вовлечь в разработку прибортовые запасы традиционными физико-техническими способами добычи. Стоит отметить, что требования к качеству запасов руд было обосновано в кондициях от 1958 г. по методическим рекомендациям, существовавшим в тот период времени, и пересмотр кондиций был произведен лишь в 2008 г. на момент, когда большая часть запасов уже была отработана, а кондиционные по содержанию металлов запасы оставлены в днище и бортах карьера. Отсутствие такого важного критерия кондиций, как минимально-промышленное содержание условного металла, тоже поспособствовало тому, что не был осуществлен своевременный переход от открытых работ к подземным. В сложившейся ситуации повысить эффективность освоения месторождения возможно путем комбинации физико-технических и физико-химических геотехнологий.

Таким образом, особенностями горно-геологических условий разработки и строения медно-колчеданных месторождений Урала является наличие большого числа линзообразных рудных тел, сложенных преимущественно сульфидами. Рудные тела часто расположены на нескольких стратиграфических уровнях. Присутствие на контакте рудных тел и во вмещающих породах метасоматических измененных разностей предопределяет необходимость разработки специальных мероприятий по обеспечению устойчивости рудных и породных обнажений.

Обобщая специфику разработки медно-колчеданных месторождений Урала, следует обратить внимание на положительный опыт применения комбинированных технологий с использованием карьерного пространства для проходки горно-капитальных вскрывающих выработок близрасположенных рудников, для вскрытия нижележащих или отдельных рудных залежей. Склонность руд к самовозгоранию предопределили применение на подземных работах практически на всех месторождениях систем разработок с твердеющей закладкой выработанного пространства.

Основным недостатком систем с искусственным поддержанием пространства является высокая стоимость закладочных работ, что не позволяет вовлечь в эффективную промышленную разработку залежи руд с низким содержанием ценных компонентов.

Минерально-сырьевая база медно-колчеданных месторождений Урала в настоящее время истощается. Ее восполнение возможно за счет введения в эксплуатацию резервных месторождений, таких как Юбилейное, НовоУчалинское, Озерное, Западно-Озерное и Чебачье, так и за счет повышения комплексности освоения уже разрабатываемых. На разрабатываемых месторождениях имеются значительные выклинки, рудные тела с низким содержанием полезных компонентов, некондиционная по содержанию рудная масса, складированная в отвалах. Разработка данных запасов какойлибо одной геотехнологией невозможна или малоэффективна. Комплексное освоение недр в полном геотехнологическом цикле является необходимой мерой, которая позволит более эффективно разрабатывать новые месторождения медно-колчеданных руд. Одним из современных подходов, который сейчас активно развивается, является реализация полного геотехнологического цикла, который предполагает рациональную комбинацию физико-технических и физико-химических геотехнологий, в результате которых формируются потоки природного и техногенного сырья [102] с обязательной утилизацией последнего в выработанном пространстве формирования себестоимости добычных работ, калькуляция затрат и доходности и другие технико-экономические показатели горнодобывающего предприятия. Поэтому при проектировании полного цикла комплексного освоения месторождений многокомпонентных руд при обосновании требований к качеству запасов руд необходимо учитывать дополнительный эффект от вовлечения в разработку техногенных георесурсов.

Характеристика техногенных образований на основе отходов 1.2.

добычи и переработки медно-колчеданных руд В ходе разработки медно-колчеданных месторождений физикотехническими геотехнологиями сформированы большие объемы техногенных образований, представленных отвалами вскрышных пород и некондиционных руд, хранилищами хвостов обогащения, минерализованных промышленных стоков, металлургических шламов. Характеристика наиболее крупных техногенных образований, сформированных в результате разработки медно-колчеданных руд, представлена в табл. 1.3 и 1.4.

Таблица 1.3. Характеристика основных техногенных хранилищ медноколчеданных месторождений Южного Урала Наименовани Площ Ориентиро Содержание ценных компонентов Техногенные образования, как правило, для доизвлечения полезных компонентов практически не используются, ввиду отсутствия широко апробированных комбинированных физико-технических и физикохимических геотехнологий, а также методической базы их проектирования с обоснованием требований к количественным и качественным характеристикам руд и техногенного сырья. Для внедрения техногенного сырья в промышленное использование необходимо, в первую очередь, изыскать новые технологические решения и определить требования к качеству данных видов георесурсов, определяемые, в первую очередь, величиной промышленных кондиций.

Таблица 1.4 - Характеристика хранилищ отходов обогащения медноколчеданных руд Южного Урала показателей земли 2. Мощность образованиях, сформированных при разработке месторождений медноколчеданных руд, и большие объемы их накопления делают указанную некондиционных руд на Учалинском ГОКе содержат 494 млн. тонн горной массы с оценочным содержанием в них меди и цинка, соответственно, 254 и 565 тыс. тонн. В отвалах Гайского ГОКа накоплено свыше 461 млн. т вскрышных пород и некондиционных руд. Причем в специальном отвале №14 на площади 23 Га накоплено 10,4 млн. т забалансовых руд со средним содержанием меди - 0,56%, цинка – 0,44%, селена - 38,7 г/т, золота и серебра, соответственно, 0,32 и 5,2 г/т. На отвалах Башкирского медно-серного комбината, эксплуатирующего Сибайское месторождение, накоплено свыше 517 млн. т вскрышных пород и забалансовых руд. В горной массе отвалов содержится 517 тыс. т меди и 2068 тыс. т цинка. В районе Карабашского пиритсодержащие породы мощностью до 1,5 м, содержащие до 58% сульфидов и до 0,26% меди, 0,31% цинка, 0,1% мышьяка, 0,13% свинца.

представленного хвостами обогащения медно-колчеданных руд, накоплено свыше 115 млн. т. Так, хвостохранилище Гайского ГОКа вмещает свыше млн. т отходов обогащения, размещенных на площади 190 Га со средним содержанием: меди – 0,38%, цинка – 0,37%, серы – 21%, золота и серебра, соответственно, – 0,7 и 4 г/т.

В хвостохранилище Учалинского ГОКа накоплено более 40 млн. т низкодисперсного сырья со средним содержанием меди - 0,22%, цинка – 0,63%, серы – 23,1%, золота и серебра, соответственно, - 0,6 и 8,5 г/т.

Накопленные хвосты обогащения медно-колчеданных руд Урала в среднем содержат 0,3% меди, 0,54% цинка, 19,8% серы, 0,65 г/т золота и 7, г/т серебра. Практически во всех отходах обогащения присутствует широкий спектр попутных компонентов, присущих исходным природным рудам, – золото, серебро, селен, теллур, индий, галлий, германий, кадмий, таллий, кобальт, а также мышьяк, висмут свинец, никель, сурьма, ванадий и др.

Анализ данных табл. 1.3 и 1.4 свидетельствует, что хвостохранилища занимают значительные площади земельного отвода, мощность хвостов, складированных в них, изменяется в пределах 18-40 м. При этом, большая часть хранилищ отходов уже законсервированы, а эксплуатируемые в настоящее время находятся на стадии завершения эксплуатации. Вместе с тем, масштабы добычи и переработки руд характеризуются нарастающей динамикой и непрерывным поступлением в хранилища отходов с высоким содержанием ценных компонентов.

Сопоставление содержаний ценных компонентов в отходах обогащения (табл. 1.3) с соответствующими содержаниями в перспективных месторождениях свидетельствует о целесообразности рассмотрения хранилищ отходов в качестве альтернативных источников минерального сырья с постановкой их на баланс предприятия как техногенных месторождений.

По экспертным оценкам, вовлечение хвостов обогащения в переработку позволит обеспечить горнодобывающие предприятия цветной металлургии Урала дополнительной сырьевой базой на 40-50 лет [4,57,82]. Однако, широкой эксплуатации пиритсодержащих хвостохранилищ препятствует то, что традиционный флотационный метод обогащения, используемый для переработки медно-колчеданных руд, оказался малоэффективным для переработки хвостов.

Необходимо отметить, что сформированные техногенные образования месторождений руд цветных металлов имеют ряд специфических особенностей, которые, в свою очередь, оказывают влияние на оценку возможностей их вовлечения в промышленное использование. Как и природные месторождения полезных ископаемых, сырье техногенных образований характеризуется большим разнообразием физико-механических, технологических и других свойств. Образования имеют определённый состав и особую внутреннюю структуру распределения полезных компонентов, зоны вторичного гипергенеза, окисления, сегрегации, концентрации на геохимических барьерах и т.п. Техногенные образования характеризуются своеобразным генезисом, условиями залегания, а также пониженным содержанием полезных компонентов. В первую очередь, это относится к отвалам рудников и хвостохранилищам обогатительных фабрик.

Например, при складировании хвостов обогащения руд большое значение оказывает сегрегационный эффект, в результате которого происходит гравитационная дифференциация твердой фазы пульпы (рис.1.5) [16]. В связи с этим наблюдается существенная анизотропия и изменчивость содержания полезных компонентов во всех направлениях, причем, максимальная изменчивость чаще наблюдается по вертикали (рис.1.6) [16].

Рисунок 1.5 – Схема распределения литологических разностей по площади хвостохранилища: 1 – пылеватые пески; 2 – супеси; 3 – суглинки; 4 – глины;

5 - глины ложа хвостохранилища Рисунок 1.6 – Диаграмма изменчивости содержания меди и цинка в лежалых хвостах обогащения Сибайской обогатительной фабрики по вертикали.

Так, в массиве старогодних хвостов Бурибаевского ГОКа, складирование которых производилось в период 1937-79 гг., в подстилающих породах содержание меди изменяется от 0,02 до 0,49%, цинка – от 0,04 до 0,52, серы – от 0,22 до 27,5%. Данный факт свидетельствует о миграции компонентов и, следовательно, о снижении содержания на одних участках, особенно в верхней незатопленной части хранилища, и концентрации на других. Кроме того, вблизи от места слива хвостов происходит отложение более тяжелых и крупных фракций с повышением массовой доли серы [17].

Это обуславливает необходимость учета закономерностей распределения качества техногенного сырья по массиву хвостохранилища и изыскания технологий целенаправленного формирования техногенных образований для их последующей разработки.

Следует отметить, что длительное хранение отходов обогащения медно-цинковых руд в хранилищах приводит к их частичному, а, в ряде случаев, и полному окислению. При хранении отходов в результате процессов окисления, выветривания минералов руд и вмещающих пород, выщелачивания ценных компонентов происходит существенное изменение первичных минеральных форм. Активированная окислительными процессами минеральная масса достаточно легко подвергается природному выщелачиванию атмосферной водой. Об этом свидетельствует высокая минерализация отвальных стоков после контакта их с хвостовой массой.

Продукты выщелачивания, попадающие в окружающую среду, создают зоны разрушения экосистемы, оказывая негативное воздействие на живую природу, в т.ч. человека. Процессы выветривания и естественного выщелачивания продолжаются наиболее интенсивно после консервации хвостохранилищ, вследствие закисления водной фазы.

Необходимо констатировать тот факт, что каждое техногенное месторождение, как впрочем и природное, является абсолютно уникальным.

В этой связи, особенности вещественного состава природных руд и, соответственно, накопленных в результате их переработки техногенных отходов предопределяют дифференцированный подход к вовлечению их в промышленную эксплуатацию. С этой точки зрения, для эффективного и максимально полного использования промышленных отходов необходимо индивидуально рассматривать каждое техногенное месторождение с учетом следующих наиболее важных характеристик: минерального и химического состава; физико-механических, химических и технологических; структурных и текстурных, а также условий формирования, складирования и хранения отходов.

месторождениях Урала имеются частично вскрытые и подготовленные к выемке запасы бедных руд, а также накоплены техногенные образования в виде складированных отходов горнометаллургического производства, которые могут быть эффективно вовлечены в промышленную эксплуатацию технологиями, основанными на сочетании процессов физико-технических и физико-химических способов добычи в полном геотехнологическом цикле.

При проектировании полного цикла, вовлечение отходов добычи и переработки руд является обязательной мерой, и уже на стадии проектирования разработки месторождения это должно учитываться. В связи с этим, актуальной задачей горного производства, является развитие методологии обоснования требований к качественным характеристикам техногенного сырья, дифференцированным по видам применяемых технологий. Кроме того, на стадии проектирования комбинированной разработки месторождений необходимо учитывать эколого-экономический эффект от вовлечения техногенных образований в эксплуатацию с обоснованием требований к качеству сырья. Полученные в ходе добычи и переработки потоки техногенного минерального сырья являются источником получения дополнительной товарной продукции.

1.3 Требования к качеству природного и техногенного сырья при комбинированной разработке медно-колчеданных месторождений.

При разработке медно-колчеданных месторождений основные требования к качеству природного сырья зависят от способов разработки месторождения, переработки руд, технических условий предприятий, осуществляющих дальнейший передел минерального сырья и состояния минерально-сырьевой базы.

Качество медно-колчеданных руд определяется по следующим показателям: химическому составу (содержанию полезных и вредных компонентов); минеральному составу; физико-механическим свойствам;

структурно-текстурным особенностям строения массива; прочим свойствам (гранулометрическому составу, слёживаемости, окисляемости, склонности к самовозгоранию, флотируемости и т.п.).

При разработке медно-колчеданных месторождений физикотехническими геотехнологиями формируются рудопотоки, требования к качеству которых определяется технологическими свойствами добываемых руд, их склонностью к флотации, зависящими от минералогического состава и структурно-текстурных характеристик руд. Сплошные сульфидные руды медистые пириты являются довольно трудным объектом для флотационного обогащения. Это объясняется, прежде всего, непостоянством химического состава сульфидов меди и пирита, чрезвычайно тонкой вкрапленностью сульфидных минералов, их взаимным прорастанием, склонностью вторичных медных сульфидов к переизмельчению. При обогащении этих руд должна быть решена, прежде всего, основная задача рудоподготовки – достижение необходимой степени раскрытия минералов при минимальном ошламовании.

Из-за тонкой и неравномерной вкрапленности сульфидов требуемые показатели извлечения достигаются использованием многостадийных схем измельчения и флотации, при которых решается задача эффективного отделения медных сульфидов от пирита [46].

Медные окисленные и смешенные руды имеют сложный минеральный состав. В них, как правило, одновременно присутствуют карбонаты (малахит и азурит), окислы (куприт и тенорит), силикаты (хризоколла) и сульфаты (брошантит и хальконтит) меди [46,48]. В зависимости от минерального состава окисленные медные руды классифицируются на легкообогатимые (основные медные минералы – малахит и азурит), среднеобогатимые (содержащие оксиды и карбонаты) и труднообогатимые (включения хризоколлы и куприта).

Важно отметить, что для применения методов выщелачивания и гидрометаллургии являются наиболее пригодными окисленные и вторичные руды. Поэтому образующиеся в результате разработки медно-колчеданных месторождений, выветривания и окисления в отвалах бедные руды, характеризующиеся сложным вещественным составом, могут быть эффективно вовлечены в эксплуатацию только сочетанием физикотехнических и физико-химических технологий с предварительным обоснованием требуемых качественных характеристик для выделения промышленно значимых запасов.

Кроме этого, качество медно-колчеданных руд во многом зависит от присутствия вредных примесей, усложняющих процессы обогащения, металлургического передела, либо ухудшающих качество извлекаемых металлов. К числу таких вредных примесей относятся: углекислые и глинистые вещества, способствующие повышению шламообразования;

мышьяк и сурьма, ухудшающие качество металлов; ртуть и фтор, влияющие на процессы переработки продуктивных растворов выщелачивания.

Немаловажным при обосновании требований к качеству минерального сырья является определение технологических типов и сортов руд, предопределяющих выбор технологий их добычи и переработки [26,14,51].

Тип руды характеризуется химико-минералогическим составом, структурой, формой связи минералов и физико-механическими свойствами.

На медно-колчеданных месторождениях руды по минеральному и химическому составу, наличию в них сульфидов, окислов, карбонатов и сульфатов меди подразделяются на следующие технологические типы:

сульфидные, окисленные и смешанные.

По текстурным особенностям медьсодержащие руды подразделяются на массивные (сплошные) и вкрапленные. Сплошные руды, обычно более богатые, характеризуются высоким содержанием серы, представленной пиритом, в срастании с которым находятся сульфиды меди и цинка. При применении прямой селективной флотации сплошных руд, он являются труднообогатимыми. Вкрапленные руды являются более бедными по содержанию меди и цинка, которое в рядовых рудах не превышает 1-2%, а в бедных 0,4-1%. Однако, вкрапленные руды характеризуются более высоким извлечением.

Сорт руды определяется её промышленной ценностью - содержанием перерабатываемой руде, медные руды условно подразделяются на богатые (содержание меди более 2%), рядовые (0,8 - 2%), бедные (0,5 – 0,8%) и некондиционные (менее 0,5%).

Сульфидные, смешанные и окисленные руды, с содержанием меди более 0,8 %, добываются традиционными физико-техническими способами с обогащением на основе флотации и пирометаллургической переработки.

Причем, богатые сульфидные и окисленные руды могут направляться непосредственно в плавку, тогда как бедные медью руды предварительно подвергаются обогащению.

На качество природного и техногенного сырья при применении физикохимической геотехнологии влияет большое число разнообразных природных факторов, которые определяют условия растворения и выноса металлов из гидрогеологические, минералого-геохимические и горнотехнические характеристики месторождения.

В работах И.К. Луценко, В.Г. Бахурова, Р.С. Мещерской, А.А. Бурыкина, месторождения на параметры выщелачивания металлов. Наиболее важное характеристики: запасы металлов (особенно в проницаемых рудах), форма и размер рудных тел, содержание металлов в руде, характер распределения металлов по литолого-фильтрационным типам руд, глубина и условия их залегания, проницаемость, уровень подземных вод, мощность и напор продуктивного водоносного горизонта, гранулометрический, химический и минералогический составы руд и вмещающих пород [46].

Благоприятными для выщелачивания являются месторождения, на которых водонасыщенные проницаемые руды залегают в водоупорных вмещающих породах. В этом случае фильтрация химического растворителя продуктивных растворов и эффективность выщелачивания.

Минеральный и химический составы руд являются факторами, определяющими требования к качеству вовлекаемых в разработку запасов.

Наличие металлов в виде трудновыщелачиваемых минералов делает указанный процесс извлечения низко эффективным, и, наоборот, наличие благоприятными геологическими факторами, определяют перспективность выщелачивания. При этом вмещающие породы должны быть химически устойчивыми по отношению к выбранному выщелачивающему реагенту.

Выделено три группы минералов по степени выщелачивания:

— хорошо выщелачиваемые (карбонаты, оксиды и гидроксиды железа и марганца, минералы шестивалентного урана, меди и др.);

сульфиды и др.);

— весьма слабовыщелачиваемые или практически нерастворимые (кварц и другие оксиды кремния — опал, халцедон, амфиболы, пироксены и др.).

Расход, выбор реагента и режим орошения являются наиболее важными факторами, оказывающими влияние на качество продуктивных растворов химического взаимодействия рудообразующих минералов с активным примесей из зоны реакции посредством движущегося потока [29,46].

фактором, оказывающим влияние на эффективность процессов и качество интенсивность выщелачивания увеличивается с уменьшением крупности руды, однако, в ряде случаев, излишнее дробление приводит к ухудшению фильтрации растворов в массиве, возникновению обратного процесса интенсивности выщелачивания [38]. Поэтому для хорошо фильтрующихся руд (например, Коунрадского месторождения) разработаны различные разбрызгивание по поверхности или их комбинация. Для орошения быстрофильтрующих руд, содержащих большое количество крупных фракций (например, руд Волковского месторождения), необходимы разбрызгивающие системы орошения.

В результате эксплуатации месторождений сочетанием физикотехнической и физико-химической технологиями неизбежно образуются различные техногенные потоки минерального сырья. К ним относятся вскрышные породы, отвалы бедных и окисленных руд, хвосты обогащения, подотвальные, шахтные и карьерные воды, отвалы пиритного концентрата, просыпи сепарации руд. Как правило, для извлечения ценных компонентов они практически не используются, ввиду низкого качества или отсутствия эффективных технологий промышленной эксплуатации. Для включения этого сырья в промышленное использование необходимо, в первую очередь, изыскать новые технические решения для вовлечения сырья в эксплуатацию с заданными требованиями к его качеству.

геотехнологии требования к качеству природного и техногенного сырья, вовлекаемого в эксплуатацию различными способами добычи, существенно отличаются. Так, при открытой разработке месторождений требования к содержанию полезного компонента в руде - одни, для подземной разработки – другие. При реализации физико-химической геотехнологии требования к качеству зависят от различных факторов: способов выщелачивания – подземное, кучное, скважинное; места производства работ – в карьере или на поверхности, в подземной камере, в горном массиве или в разрыхленной рудной массе; вида сырья - руда на месте залегания, складированная в отвалах, оставленная в закладке или потерянная в зоне обрушения, техногенное сырье горно-металлургического производства хвосты обогащения: текущие, лежалые, находящиеся под затоплением действующих или законсервированных хвостохранилищ; а также металлургические шлаки и минерализованные промышленные воды [25,81].

Высокое содержание ценных компонентов в техногенных образованиях при разработке месторождений медно-колчеданных руд и большие объемы их накопления делают указанную проблему весьма актуальной. Так, отвалы вскрышных пород и забалансовых руд на Башкирском медно-серном комбинате, сформированные во время отработки открытым способом месторождений: Бакр-Тау (объем забалансовых руд - 140 тыс. тонн, средние содержания меди - 0.60%, цинка -1.29%); Таш-Тау (объем забалансовых руд тыс. тонн, содержание в них меди - 1.10%, цинка - 0.46%); Балта-Тау (объем забалансовых руд - 421.6 тыс. тонн, содержание в них меди - 0.73%, цинка - 0.93%). Породы отвалов в различной степени минерализованы сульфидами, количество которых в метасоматитах достигает 8-9 %.

В процессе длительного хранения забалансовых руд под действием атмосферных осадков происходит природное выщелачивание полезных компонентов, что приводит к снижению качества сырья и загрязнению окружающей среды тяжелыми элементами.

Кроме того, основная масса вскрышных пород и забалансовых руд складирована в отвалах без сортировки и предварительной подготовки основания, что отрицательно сказывается на параметрах технологии и возможности утилизации отходов. Лишь небольшая часть пород основного состава размещена в спецотвалах, которые предназначены для переработки.

Но длительный срок хранения руд в спецотвалах приводит к изменению качества сырья и снижению полезных свойств. Доказано, что при хранении бедных руд в спецотвале более 50 лет, полезные свойства руды и способность их к последующей переработке полностью утрачивается [46,71].

В настоящее время на базе отвалов диабазового камня организовано дорожно-строительное производство, производящее фракционированный щебень марки 1100-1200 и дробленый песок марки 700-800 для собственных нужд Учалинского ГОКа (закладка выработанного пространства Учалинского подземного рудника, строительные работы) [16]. В 2000 году объем вскрыши Учалинского карьера и шахты составил 113 тыс. м3, из которых использовано только 36 тыс. м3. Из отвалов в 2000 году использовано 600 тыс. м3 диабазового камня, в 2001-2005 гг. - 850 тыс. м3 в год.

Сопоставление содержаний ценных компонентов в отходах обогащения (табл. 1.5) с содержанием их в перспективных месторождениях свидетельствует о целесообразности рассмотрения хранилищ отходов в качестве альтернативных источников минерального сырья с постановкой их на баланс предприятия, как техногенного месторождения [70].

Необходимо также отметить, что, наряду с традиционными (базовыми) компонентами, приведенными в табл. 1.5, в отходах переработки медноколчеданных руд содержатся другие цветные, а также редкие металлы и рассеянные элементы [31,108].

При этом длительное хранение отходов обогащения медно-колчеданных руд в хранилищах приводит к их частичному, а, в ряде случаев, и полному окислению, природному выщелачиванию полезных компонентов в окружающую среду и, как следствие, существенному снижению качества техногенного сырья. Кроме этого, в результате процессов окисления, выветривания минералов руд и вмещающих пород, выщелачивания ценных компонентов происходит изменение первичных минеральных форм [70].

Хранение хвостов в водной фазе хранилища сопряжено с безвозвратной потерей качества техногенного сырья, повышением концентраций ионов тяжелых металлов в оборотной воде обогатительных фабрик, что также свидетельствует о естественном выщелачивании металлов. Процессы выветривания и естественного выщелачивания продолжаются наиболее интенсивно после консервации хвостохранилищ и проявляется в закислении водной фазы.

Таким образом, отходы обогащения медно-колчеданных руд, как объекты разработки, характеризуются рядом специфических особенностей.

Они представляют собой мелкозернистый материал 70-90 % крупностью мм. Их усредненный гранулометрический состав: +0,14 мм - 6 %, +0, мм - 7 %, +0,074 мм - 2 %, +0,044 мм - 7 %, -0,044 мм - 78 % [71]. Основной минеральный состав: пирит - 57 %, сфалерит - 1,1 %, халькопирит - 0,8. %, оксиды железа (лимонит, магнетит, гематит) - 2 %, халькантит и вторичные сульфиды - 0,2 %, нерудные минералы (кварц, полевые шпаты, серицит, хлорит, барит, кальцит) - 8,9%. [7]. Хвостохранилища медно-колчеданного условиями залегания и пониженным содержанием ценных компонентов.

Присутствуют и сходства с природными месторождениями, заключающиеся техногенных месторождений связано с рядом трудностей и в настоящее использования в закладке и строительных работах [96].

Следует отметить, что исходя из приведенной ситовой характеристики, стройматериалов определяется перспективой селективного выделения нерудной части материалов, слагающих хвостохранилище [109].

С целью вовлечения в эксплуатацию бедных руд, ранее складированных экономические и технологические преимущества данной технологии, при ее внедрении образуется просыпь сепарации. Это некондиционная по рентгенометрической сепарацией, ни в цикле обогащения, но имеет достаточно высокое содержание меди – 0,5% и цинка – 1,86% [46].

Высокое содержание ценных компонентов в данном виде отходов свидетельствует о необходимости их извлечения перед утилизацией. При этом извлечение ценных компонентов с получением богатых по качеству продуктивных растворов целесообразно производить после грохочения по классу 3 мм. Класс -3 мм может рассматриваться как отвальный продукт для использования в строительстве или в качестве компонентов смеси для закладки выработанного пространства.

Анализ практики разработки медно-колчеданных месторождений, в силу их специфических горно-геологических, гидрогеологических, горнотехнических условий, ценности руд, склонности к самовозгоранию, определяет необходимость применения систем разработки с твердеющей закладкой выработанного пространства. Однако, достаточно высокие затраты на использование привозного цемента и дробление скальных пород вскрыши и попутной добычи сдерживают эффективное применение этой прогрессивной технологии [1].

Поэтому в последнее время достаточно большое внимание уделяется технологии возведения техногенных массивов с использованием в качестве заполнителей закладочных смесей отходов производства и местных вяжущих материалов [50]. Вместе с тем, присутствие в отходах полезных компонентов, тонкая дисперсность и кислотность среды сдерживают их использование для приготовления закладочной смеси. Применение отходов производства для формирования закладочных массивов становится возможным после доизвлечения полезных компонентов и определения составов закладочных смесей, отвечающих требованиям механических характеристик. Стоит заметить, что использование хвостов обогащения для приготовления закладочной смеси значительно снижает эксплуатационные затраты на ее приготовление и, соответственно, полную себестоимость добычных работ, примерно на 25-30% [72]. Снижение эксплуатационных затрат на добычу 1 т полезного ископаемого, в свою очередь, позволяет значительно снизить требования к качеству вовлекаемого сырья и увеличить количество балансовых запасов.

Таким образом, при обосновании требований к качеству медноколчеданных руд и техногенного сырья необходимо дифференцировать запасы месторождения по видам применяемых технологий с учетом их качественных и количественных характеристик и эколого-экономического эффекта, полученного от вовлечения в разработку техногенного сырья, химического и вещественного состава, структурно-текстурных особенностей.

Вовлечение в разработку запасов бедных руд и техногенного сырья позволит повысить эффективность освоения медно-колчеданных месторождений и расширить минерально-сырьевую базу горных предприятий.

1.4 Методы обоснования требований к качеству сырья при комбинированной разработке природных и техногенных месторождений месторождений твердных полезных ископаемых (кроме и горючих сланцев)»

[44]. Причем, эти требования определяются статически на момент возможностей перехода на другие способы добычи. В составе ТЭО кондиций рассчитываются требования к качеству только природного сырья, причем в качестве основного показателя рассчитывается минимально-промышленное содержание основного или суммы ценных компонентов, приведенных по ценности руд к основному, т.е. минимально-промышленное содержание условного компонента [44].

Существенный вклад в решение проблемы обоснования требований к качеству минерального сырья, неразрывно связанной с важнейшими проблемами комплексного освоения недр и повышения качества продукции горных предприятий, внесли академики А.В. Сидоренко, Н.В. Мельников, В.В. Ржевский, М.И. Агошков, К.Н. Трубецкой, член. корр. РАН Д.Р.

Каплунов, доктора наук Бронников Д.М., Прокопьев Е.П., Юматов Б.П., Адигамов Я.М., Ломоносов Г.Г., М.В. Рыльникова, Е.И. Панфилов, В.Н.

Уманец, С.С. Резниченко, С.А. Филиппов и другие известные ученые.

Впервые в России геолого-экономические приемы оценки качества золотодобывающей промышленности в начале ХХ века. В задачи оценки промышленного значения россыпных и коренных месторождений этих металлов. Основным показателем промышленного значения месторождения в условиях еще дореволюционной России являлся критерий прибыли [43].

В годы первых пятилеток, в СССР, наиболее полно вопросы оценки качества запасов месторождений были рассмотрены Н.И. Трушковым (1931, 1934), который само понятие оценки определил с позиций социалистического планового хозяйства. Он отмечал, что в условиях социалистического хозяйства необходимо учитывать не только абсолютную ценность месторождения, но и потребность народного хозяйства в данном виде сырья.

Им отмечена необходимость учета относительной точности геологоэкономической оценки и фактора времени. Обращено внимание на требования оценки забалансовых и перспективных запасов. Решающую роль Н.И. Трушков отводил правильному определению геологических, горнотехнических и технологических показателей разработки месторождений.

С 1928 года в связи с потребностями проектирования крупных горных предприятий институтами «ГИПРОМЕЗ», «ГИПРОЦВЕТМЕТ» и другими была начата разработка кондиций на рудные месторождения, что явилось составной частью работ по оценке качественных характеристик запасов.

В.В. Померанцев в своих работах подробно рассмотрел вопросы предпроектной геолого-экономической оценки месторождений. Им выделена оценка запасов месторождения на стадиях поисково-разведочных работ, предварительной и детальной разведок. Оценку на первой стадии он производительности предприятия и капиталовложений на его строительство.

При оценке в период проведения предварительной и детальной разведок В.В.

Померанцев основными критериями выделил рентабельность эксплуатации месторождения и экономическую эффективность капиталовложений. Оценка осуществляется путем определения основных технико-экономических показателей по эмпирическим формулам. Последние были выведены на основе статистической обработки данных по эксплуатации ряда месторождений. Основное достоинство предлагаемого метода – простота технико-экономических расчетов. Наряду с этим, следует отметить и невысокую точность определения показателей по предложенным формулам.

Д.Н. Рура в 1958 г, предложил при оценке качества запасов месторождений использовать метод вариантов, как наиболее объективный.

Метод вариантов включает в себя подсчет запасов при нескольких значениях бортового содержания, которое влияет на определение возможной производительности предприятия, себестоимости руды и конечной продукции, капиталовложений в зависимости от подсчитанных по вариантам запасов [30]. Оптимальный вариант выбирается с учетом удовлетворения нужд народного хозяйства в определенном виде сырья по допустимой себестоимости. Стоит заметить, что данный способ нашел широкое развитие, и его дальнейшее применение для обоснования требований к качеству запасов минерального сырья, и в наше время он считается наиболее объективным, что и указано в методике ГКЗ [44].

В начале второй половины ХХ века в России требования к качеству минерального сырья начали обосновывать в так называемых «постоянных»

геологических кондициях, на основе которых определялись границы месторождения, балансовые и забалансовые запасы [56,88]. Геологические кондиции устанавливались на основе средних для месторождения горногеологических и экономических условий.

ископаемых данного периода, показывает, что применение геологических кондиций для выемки запасов часто приводит в одних случаях к включению в контур отработки месторождения явно экономически неэффективных запасов месторождения, в других, наоборот, к оставлению за контуром отработки таких запасов полезных ископаемых, добыча которых экономически эффективна [58].

Различные участки месторождения, как известно, отличаются мощностью, углом падения, физико-механическими свойствами руды и вмещающих пород, содержанием полезных компонентов, включением прослоек пустых или слабооруденелых пород и т.д. Эти различия, как утверждают авторы [21,88,89], не могут быть учтены при обосновании геологических кондиций, и поэтому последние определяются из средних условий по месторождению. Основным недостатком данной методики является то, что усреднение геологических и горно-технических параметров приводит к завышению или занижению требований к качеству запасов месторождений.

Резниченко С.С. в своей работе [75] классифицировал кондиции в зависимости от периодов освоения месторождения (разведка, проектирование горного предприятия и эксплуатация) на: геологические, проектные и эксплуатационные.

Кондиции геологические определяют требования к качеству полезных ископаемых в недрах и к геологическим условиям, соблюдение которых позволяет правильно разделять запасы месторождения по их народнохозяйственному значению.

Кондиции проектные устанавливают требования к качеству полезных ископаемых в недрах, соблюдение которых позволяет получить наилучшие технико-экономические показатели при разработке месторождения. На основании проектных кондиций устанавливаются промышленные запасы полезного ископаемого. Геологические кондиции, на основании которых выделяются балансовые и промышленные запасы, могут отличаться друг от друга. Геологические кондиции подсчитываются приближенно, когда недостаточно хорошо известны технологии разработки месторождения, производительность горного предприятия [75].

Эксплуатационные кондиции на руду определяют совокупность требований к качеству руды, поступающей на переработку, соблюдение которых позволяет получить наилучшие технико-экономические показатели по всему циклу добычи и переработки руды. Эксплуатационные кондиции на руду служат для выделения эксплуатационных запасов.

Стадии расчетов, а также взаимосвязь геологических, проектных и эксплуатационных кондиций представлены на рис. 1.7. [75]. В своей работе автор, предложил оптимизировать параметры кондиций в ходе эксплуатации месторождения открытым способом путем поэтапной оптимизации бортового содержания. Однако, в современных рыночных условиях с значительными колебаниями на металлы это приводит к потере запасов руд, которые в дальнейшем могли бы быть эффективно переработаны.

Обоснование требований к качеству сырья при комбинированной разработке месторождений в работе не рассматривается.

Рисунок 1.7 - Стадии расчета и взаимосвязь геологических, проектных и эксплуатационных кондиций.

В ходе эксплуатации месторождения запасы и их качественные и количественные характеристики подвергаются значительной корректировке в ходе эксплуатационной разведки. Несоответствие данных, отраженных в технико-экономическом обосновании (ТЭО) кондиций, с фактическими, приводит к потере запасов, которые по своим качественным характеристикам являются балансовыми и могут быть эффективно вовлечены в разработку.

Данную проблему предложили решить авторы [3,9,21,89,111], указывающие, что в ходе разработки месторождения, наряду с параметрами постоянных кондиций, необходимо пользоваться дополнительными параметрами эксплуатационных кондиций. С их помощью следует производить техникоэкономическую оценку запасов отдельных эксплуатационных (выемочных) участков месторождения, горно-геологическая характеристика которых существенно отличается от принятой при обосновании постоянных кондиций.

К числу параметров эксплуатационных кондиций, используемых для оценки запасов отдельных участков месторождения, относятся: минимальное качество (содержание полезных компонентов) запасов отдельного выемочного участка месторождения – С М.Э ; минимальное качество (содержание полезных компонентов) на контуре запасов выемочного участка – С б.о ; максимально допустимое содержание вредных примесей.

Авторы правомерно считают, что параметры эксплуатационных кондиций для оценки запасов выемочного участка необходимо определять из условия равенства извлекаемой ценности всей конечной продукции из единицы запасов и предстоящих затрат на получение этой продукции из этой единицы запасов. Причем, затраты, производимые горным предприятием, независимо от того, будут или нет извлекаться запасы рассматриваемого участка, не учитываются.

Минимальное содержание (Д ) полезных компонентов, приведенных к условному содержанию, в запасах отдельного выемочного участка месторождения предложено определять по формуле [3]:

где Зд.об.пр – сумма предстоящих затрат на добычу, транспортирование и обогащение 1 т добытого полезного ископаемого, р/т; Иоб, ИМ – коэффициенты извлечения полезного компонента (основного для комплексных руд), соответственно, при обогащении и металлургическом переделе, доли ед.; Ц – цена единицы конечной продукции, принятая в расчетах постоянных кондиций, р; З М.М. – сумма затрат на транспортирование продукта обогащения до металлургического завода и металлургический передел в себестоимости 1 т конечной продукции, р/т.

Формула, предложенная авторами в работах [3,94], по структуре аналогична формуле определения промышленного минимума рекомендуемой в методике за 1965 г[45], и используемой для оценки кондиций в наше время [44]. По своему назначению эксплуатационные кондиции являются средством для рационального использования ресурсов недр [3,21]. Однако, в современных рыночных условиях данная методика, в рамках которой обосновываются требования к качеству вовлекаемых в разработку участков месторождения, привела к выборочной отработке запасов месторождения с высоким содержанием ценных компонентов и переводу в категорию забалансовых участков месторождения, которые могли бы быть эффективно переработаны. В работах [3,9,21,43,56,58,75,88,89,94,105,106,111,114-121] требования к качеству техногенного сырья при комбинированной разработке месторождений также не рассматривались.

В ходе разработки месторождения формируются различные потоки техногенного сырья: хвосты обогащения, вскрышные породы, отходы сепарации руд, порода от проходки, подотвальные и шахтные воды и многие другие. Данные потоки сырья могут быть эффективно вовлечены в разработку. Академик К.Н. Трубецкой и проф. В.Н. Уманец, З.А. Терпогосов, В.Г. Шитарев и др. [95,97,99,100] предложили производить техникоэконмическую оценку техногенных образований для перевода последних в категорию техногенных месторождений. В методике указано: «в связи с возможностью использования сырья, сосредоточенного в техногенных минеральных объектах, первоочередной задачей в их освоении является выделение из них тех, которые могут быть отнесены к техногенным месторождениям, т.е. объектов, которые по количеству и качеству содержащегося в них минерального сырья являются пригодными для эффективного использования в сфере материального производства» [99]. Для оценки качественных характеристик техногенных образований, предложено рассчитывать основные параметры кондиций техногенного сырья:

минимально-промышленное содержание полезного компонента в запасах техногенного месторождения, приведенное к содержанию условного основного компонента – min ;

перспективное минимально-промышленное содержание полезных компонентов – min ;

минимальное (граничное) содержание полезного компонента в подсчетном участке месторождения, определяемое исходя из условий окупаемости предстоящих эксплуатационных затрат – гр ;

коэффициенты для приведения в комплексных рудах содержаний полезных компонентов к содержанию условного основного компонента, а также минимальное содержание попутных компонентов, учитываемые при приведении к основному;

минимальные запасы техногенного месторождения или его изолированного участка;

перечень попутных компонентов, извлекаемых из руд совместно с основными компонентами.

Минимально-промышленное содержание ( min ) полезного компонента – это такое содержание, при котором обеспечивается равенство извлекаемой ценности минерального сырья и полных затрат на получение товарной продукции [99]. Перспективное минимальное содержание ( min П) полезного компонента – это такое содержание, при котором использование новых и перспективных технологий позволит целесообразно разрабатывать запасы минерального сырья. Минимальное (граничное) содержание ( гр ) – это такое содержание полезного компонента, при котором в результате оконтуривания запасов участка месторождения, внутри него будет обеспечено перспективное минимальное содержание.

Минимальное содержание полезных компонентов ( ) предлагается определять в целом для техногенного месторождения или его изолированных участков по формуле:

где хв.в – содержание условного полезного компонента во вторичных отходах (хвостах) после доизвлечения его в концентрат, %; – содержание полезного компонента в концентрате, %; С. – затраты на добычу, техногенного сырья, р/т; СМ – полная стоимость металлургического передела транспортировку, предварительное обогащение и обогащение 1т 1 т металла, р/т; Ц. – оптовая цена 1 т готовой продукции, р/т; пред, М – извлечение металла при предварительном обогащении и металлургическом переделе, дол. ед.

Однако, в данной методике техногенное месторождение рассматривается, как уже сформированное, и не указывается необходимость учета полученного экономического эффекта от вовлечения в разработку техногенного сырья при обосновании требований к качеству руд. Так же является довольно спорным предложение авторов рассчитывать перспективное минимальное содержание металла, ввиду невозможности спрогнозировать динамику цен на металлы и изменение различных технологических показателей (извлечение при обогащении и металлургическом переделе, себестоимость добычных работ и т.д.).

В настоящее время при расчетах минимально-промышленного содержания условного компонента (т.е. суммы содержаний полезных компонентов, приведенных к содержанию основного компонента) вопрос о круге попутных металлов, включаемых в расчет содержания условного металла по тому или иному подсчетному блоку, месторождению решается субъективно. Из предложенного ГКЗ [44] определения понятия «попутных компонентов» остается неясным, как быть в тех случаях, когда в совокупности попутные компоненты имеют более высокую ценность, нежели чем основной [37].

Методики определения предельных содержаний рассеянных элементов в комплексном сырье разработаны А.М. Быбочкиным, А.М. Сечевицой и многими другими известными учеными [8,10, 84]. Профессор Ф.Д. Ларичкин в своей работе [36,37] предложил устанавливать предельное (браковочное) содержание ценного компонента в комплексном сырье, ниже которого его извлечение при комплексной переработке сырья экономически неэффективно на конкретном этапе развития производства.

Предельное содержание ( пр ) предложено рассчитывать в процентах по формуле [37]:

где i – номер ценного компонента; – извлечение i-го ценного компонента в готовую продукцию, дол. единицы; Ц – рыночная цена 1 т i-го ценного компонента в готовой продукции, р; Р – коэффициент разубоживания руды при добыче, дол. единицы.

Данная методика позволяет определить минимальное содержание попутных компонентов и более точно рассчитать требования к качеству минерального сырья. Геологические данные, на основании которых рассчитываются кондиции, как правило не дают точных данных по попутным компонентам и ориентированы преимущественно на основные компоненты, именно поэтому сдерживается применение данной методики на стадии проектирования рудников.

Обоснование требований к качеству минерального сырья – одна из наиболее важных составных частей оценки месторождений.

Конструирование и обоснование рациональных параметров горнотехнических систем комбинированной физико-технической и физикохимической геотехнологии базируется на современных требованиях, которые предъявляются к комплексной разработке месторождений полезных ископаемых. Комбинация процессов различных видов горных работ осуществляется на принципе эмерджентности входящих геотехнологических процессов. Это предопределяет необходимость совершенствования методической базы проектирования, актуальной для современных условий.

Поэтому совершенствование методики обоснования требований к качеству природного и техногенного сырья, оценки уровня использования недр и экологических последствий является актуальной задачей. От ее успешного решения зависит эффективность работы горных предприятий и всей горнодобывающей промышленности.

1.5 Цель, задачи и методы исследования.

Обобщение опыта применения физико-технических и физикохимических геотехнологий показал, что, несмотря, на явные преимущества комбинированной геотехнологии, принятые в настоящее время в проектах решения не всегда позволяют вовлечь в эффективную отработку все промышленные запасы месторождения. В подземном пространстве, за проектным контуром в бортах и основании карьеров остаются выклинивающиеся в массиве и распределённые по периметру рудные участки; в шахтных полях не полностью отрабатываются бедные руды и маломощные рудные залежи, отдаленные локальные рудные тела, запасы, расположенные в неблагоприятных горно-геологических условиях.

Важно отметить, что наиболее полное и качественное извлечение запасов медно-колчеданных руд сложного вещественного состава и сопутствующих техногенных образований обеспечивается при применении физико-технических и физико-химических способов добычи. Для эксплуатации месторождений различными технологиями, прежде всего необходимо оценить качественные характеристики руд, характеризующихся сложным вещественным составом.

Проведенный аналитический обзор теории и практики обоснования требований к качеству добываемого сырья свидетельствует, что до настоящего времени принципы дифференциации запасов по видам применяемых геотехнологий в единой горнотехнической системе не установлены. Отсутствует опыт реализации данных технологий применительно к разработке месторождений многокомпонентных руд цветных и благородных металлов.

Повысить экономическую эффективность разработки месторождений комбинированной геотехнологией возможно за счет эффективного вовлечения всех минерально-сырьевых потоков в промышленную разработку путем применения различных комбинаций физико-технических и физикохимических геотехнологий. Отсутствие в отечественной практике методик обоснования требований к качественным характеристикам запасов природного и техногенного сырья, дифференцированным по видам применяемых технологий и вещественному составу сырья, определило комплекс поставленных в диссертационной работе задач и основную цель исследований.

Целью диссертационной работы является разработка методики определения требований к качеству медно-колчеданного сырья, вовлекаемого в эксплуатацию комбинированной физико-технической и физико-химической геотехнологией, обеспечивающей повышение полноты и комплексности освоения месторождений медно-колчеданных руд и сопутствующих техногенных образований.

Идея работы состоит в том, что повышение эффективности освоения медно-колчеданных месторождений и сопутствующих техногенных образований комбинированной геотехнологией обеспечивается путем дифференциации требований к качеству минерального сырья по видам применяемых геотехнологий в полном цикле комплексного освоения месторождений.

Задачи исследований:

- обобщение методик обоснования требования к качеству рудного и техногенного сырья, вовлекаемого в эксплуатацию физико-техническими и физико-химическими геотехнологиями;

- изучение влияния горно-геологических условий залегания и особенностей вещественного состава медно-колчеданного природного и техногенного сырья, способов его добычи и переработки, экономических факторов на требования к качеству вовлекаемых в разработку минеральных ресурсов;

- оценка требований к качеству природного и техногенного сырья по видам применяемых геотехнологий;

- разработка методики обоснования требований к качеству природного и техногенного сырья в полном цикле комплексного освоения рудного месторождения;

- разработка технологических рекомендаций по комплексному освоению месторождения «Ново-Учалинское» комбинированной физикотехнической и физико-химической геотехнологией.

Для решения поставленных задач в качестве объекта исследований выбраны горнотехнические системы комплексного освоения месторождений медно-колчеданных руд этажно-камерной системой разработки с твердеющей закладкой выработанного пространства и кучным выщелачиванием окомкованных хвостов обогащения руд.

Методы исследований:

В работе использован комплексный метод исследований, включающий обобщение и анализ отечественного опыта обоснования требований к качеству минерального сырья, геолого-минералогические исследования и химический анализ, опытно-промышленные испытания показателей геотехнологий, имитационное моделирование, экономико-математический анализ и технико-экономические расчеты с обработкой результатов исследований методами математической статистики.

2. РАЗВИТИЕ НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИХ ОСНОВ ОБОСНОВАНИЯ

УСЛОВИЙ РЕАЛИЗАЦИИ КОМБИНИРОВАННОЙ

ГЕОТЕХНОЛОГИИ В СООТВЕТСТВИИ С ТРЕБОВАНИЯМИ К

КАЧЕСТВУ МЕДНО-КОЛЧЕДАННОГО СЫРЬЯ

2.1. Факторы, определяющие требования к качеству сырья при комбинированной геотехнологии Развитие горнодобывающей промышленности происходит на фоне непрерывного изменения экономических условий и спроса на рынке сырьевых ресурсов. Все это привело к истощению минерально-сырьевой базы горных предприятий, скоплению в огромных количествах техногенных отходов, что негативно отражается на экологической обстановке, а также отрицательно сказывается на экономике предприятий, в том числе ввиду высоких экологических выплат. В результате горным предприятиям необходимо решать проблему сокращения объемов складирования отходов и восполнения собственной минерально-сырьевой базы, как за счет поиска новых месторождений, так и за счет повышения комплексности освоения ранее разрабатываемых.

В аспекте комплексного освоения недр ценность месторождений должна устанавливаться на основе рассмотрения их не обособленно и абстрактно, а в тесной взаимосвязи с работой горно-добывающих и металлургических предприятий на основе комбинации физико-технических и физикохимических геотехнологий с вовлечением в разработку отходов добычи и переработки руд. Это требует учета положения, что при добыче и дальнейшей переработке руд недропользователь получает минеральносырьевые потоки не только в виде концентрата или товарного металла, но и в виде хвостов обогащения, вскрышных пород, минерализованных стоков и других потоков, использование которых в полном цикле комплексного освоения месторождений позволяет получить дополнительный экономический эффект [46].

Методики обоснования требований к качеству минерального сырья и кондиций на вовлекаемые в разработку руды в условиях применения какой либо одной монотехнологии достаточно подробно и широко апробированы.

Создание принципиально новых горнотехнических систем комбинированной физико-технической и физико-химической геотехнологии предъявляет новые требования к обоснованию кондиций на вовлекаемое в эксплуатацию минеральное сырье. Обоснование кондиций должно обеспечить распределение запасов по способам добычи для эффективной разработки полезных ископаемых с учетом специфики вещественного состава и перспектив дальнейшего использования, причем, как природного, так и техногенного сырья.

Дифференциация запасов природного и техногенного сырья должна производится на основе кондиций, в рамках которых обосновываются основные требования к качеству сырья, такие как:

компонентов, приведенных к условному содержанию;

• максимально допустимые содержания вредных примесей;

• минимальная мощность рудного тела (пластов, залежей, жил и т.п.) • максимально допустимая мощность прослоев пустых пород;

• минимальные запасы изолированных тел полезных ископаемых (участков, блоков и т.п.);

техногенного сырья [62,110], группируются на три группы: геологические, экономические и технологические (табл. 2.1). Причем, основные параметры кондиций устанавливаются обычно на природное сырье, но с учетом экономического эффекта, полученного от вовлечения (утилизации и т.п.) в разработку отходов его добычи и переработки.

Геологические факторы являются определяющими при установлении ценности запасов месторождения и требований к их качеству. Так, глубина залегания рудных тел и объемы геологических запасов прямо влияют на себестоимость ведения добычных работ и транспортирования рудной массы до обогатительной фабрики. Качество типов и сортов руд, их распределение в недрах являются основными факторами, которые определяют технологию их добычи и переработки. Содержание и число ценных и вредных компонентов в каждом виде полезного ископаемого и другие его технологические свойства предопределяют величину извлекаемой ценности руд. Мощность прослоев пустых пород влияет на показатели разубоживания руд и, как следствие, на содержание ценных компонентов в рудной массе, поступающей на переработку.

Табл. 2.1. Факторы, определяющие требования к качеству руд при комплексном освоении медно-колчеданных месторождений Глубина залегания Капитальные и Характеристики геотехнологий;

рудных тел, их форма и эксплуатационные затраты способ разработки месторождения; уровень цен на металлы на системы разработки;

характер распределения спрос на товарную (производственная мощность, запасах руд; валовая извлекаемая техногенных отходов в качестве физико-механические ценность 1 т руды; строительного сырья и закладки свойства руд и стоимость товарной выработанного пространства);

компонентов и вредных товарной продукции; геотехнологий;