Переработка и использование сопутствующих пород

Вскрышные и попутно извлекаемые породы при добыче полезных ископаемых содержат разнообразные компоненты, которые могут быть использованы для производства белого цемента, строительной извести, минеральной ваты, стекла и РТИ. Глинистые сланцы являются хорошим сырьем для производства портландцемента. Из песчаных пород можно производить тарное стекло, а песчано-глинистые породы можно использовать в производстве кирпича, заполнителей для бетонов, штукатурных и кладочных растворов. Основой для производства почти всех известных видов строительных материалов могут служить горелые породы – пустые породы, сопровождающие залежи каменных углей. Обожженные при подземных пожарах, они получаются и при самовозгорании терриконов. Горнорудные отходы можно использовать также в качестве удобрений в сельском хозяйстве.

Вскрышные породы как сырье для производства керамзита. Среди попутно извлекаемых и вскрышных пород значительное место занимают пластичные глины. Они являются хорошим сырьем для керамзита, служащего искусственным пористым наполнителем для легких бетонов и являются хорошим теплозвукоизоляционным материалом.

Обычно керамзит получают путем обжига легкоплавких(<1350 °С) глинистых пород с добавками порообразующих материалов, которыми служат соляровое масло, торф, сульфидно-спиртовая барда и др. В большинстве случаев керамзит получают в виде гравия с размером зерен 5-40 мм или щебня. Плотность керамзитового гравия составляет 150-800 кг/м³.

В настоящее время разработаны технологические схемы типовых заводов по производству керамзита (средняя насыпная плотность 500 кг/м³) мощностью 200 тыс. м³/год.

По одному из вариантов этой схемы (см. рисунок 23) исходное глинистое сырье после переработки в камневыделительных вальцах, глиномешалке с фильтрующей головкой и вальцах тонкого помола подают в башни-силосы для гомогенизации, откуда усредненная глиномасса поступает в формующий агрегат.

Отформованные сырцовые гранулы вводят в двухбарабанную вращающуюся печь, разделенную перегрузочной камерой. В первой части печи происходит подсушка сырцовых гранул, во второй – их обжиг.

Для опудривания отформованных гранул с целью предотвращения их спекания предусмотрено специальное устройство опудривания для введения в зону вспучивания печи огнеупорного порошка. Контроль и корректировка процесса обжига обеспечиваются при помощи измерителя насыпной плотности керамзита, установленного между откатной головкой печи и холодильником.

Рекультивация земель. Утилизация и переработка отвалов добычи, отходов обогащения полезных ископаемых в значительной степени способствуют их ликвидации. Однако в ряде случаев проблема может быть решена лишь частично, так как масштабы этих отходов огромны. Поэтому ликвидацию отвалов и их вредного действия на окружающую среду можно осуществлять рекультивацией земель, нарушенных открытыми разработками.

1 – глинорыхлительная машина; 2 – пластинчатый питатель; 3 - конвейер; 4 – камневыделительные вальцы; 5 - глиномешалка; 6 – вальцы тонкого помола; 7 - конвейер; 8 – башни гомогенизации; 9 - агрегат формования сырцовых гранул; 10 – тарельчатый питатель; 11 – барабан тепловой подготовки; 12 – перегрузочная камера; 13 – обжиговый барабан; 14 - бункер опудривающего порошка; 15 – устройство для опудривания; 16 - измеритель плотности; 17 - холодильник; 18, 21 – мерники керамзита; 19 - грохот; 20 – силос готового продукта

Рисунок 23 - Схема производства керамзитового гравия

Рекультивация - это комплекс работ, направленных на воспроизводство и улучшение, либо совершенно новое моделирование всего нарушенного природно-территориального комплекса в целом.

В процессе рекультивации различают два основных этапа: горнотехнический и биологический. Задачей первого этапа является подготовка территории (планировка отвалов, придание откосам нужной формы, покрытие их плодородными грунтами и т.п.) для последующего освоения. Второй этап охватывает мероприятия по восстановлению плодородия нарушенных земель и созданию благотворных для жизнедеятельности человека ландшафтов.

Рекультивация, таким образом, позволяет не только устранить вредное влияние отвалов горнодобывающих предприятий на биосферу, но и вернуть значительные земельные площади, которые могут быть использованы для создания лесных массивов, сельскохозяйственного освоения, строительства некоторых объектов и ряда других целей.

Закладка выработанных пространств. С начала 60-х годов в горнодобывающей промышленности развиваются способы шахтной добычи полезных ископаемых с закладкой выработанного пространства. С целью максимального удешевления закладочных работ используют как материалы отвалов и хвостов обогащения горных предприятий, а также отходы других отраслей промышленности (шлаки, золы и т.п.).

В большинстве случаев способы добычи с закладкой применяют с целью более полной добычи полезных ископаемых, так как при обычной технологии их выемки для компенсации горного давления часть их требуется оставлять под землей.

Практикуется также засыпка выработанных пространств пустой породой, обеспечивающая временное (на период добычи) укрепление кровли и резкое сокращение объёмов поверхностных отвалов. Применение твердеющего закладочного материала обеспечивает его усадку, не превышающую 5 % даже при десятикратном превышении ожидаемого на глубине давления.

При монолитной закладке закладочный материал должен обладать способностью схватывания и твердения, т.е. иметь предел прочности при одноосном сжатии 2,0-2,5 МПа. Указанные свойства зависят от химического состава, степени измельчения, твёрдости и некоторых других характеристик используемого для закладки материала. Поэтому различные твёрдые отходы горных, обогатительных, а также других предприятий не одинаково пригодны для этих целей. В большинстве случаев к таким материалам, как отвальные песчаники, горелые породы, отходы обогащения, необходимо добавлять активаторы схватывания: цемент, известь, гипс, жидкое стекло и др. В то же время отдельные виды измельчённых шлаков могут сами выполнять роль вяжущих материалов.

Закладка может быть полной (при заполнении всего объема выработанного пространства) или частичной (при заполнении его в виде слоев и полос). Приемы заполнения закладочным материалом выработанных пустот различны и зависят от способов транспортирования и укладки.

Различают гидравлическую, самотечную, пневматическую, гидропневматическую, механическую и ручную закладки. Выбор приема зависит от принятого порядка проведения горных работ и конфигурации выработанного пространства.

В качестве приема на рисунке 24 представлена схема отработки месторождения с монолитной закладкой выработанного пространства.

В соответствии с рисунком верхний горизонт месторождения уже отработан и заполнен отвердевшей закладочной смесью. В зоне А находящегося под ним горизонта производят в основном выемку руды камерным способом и ее подготовку к выемке. В зоне Б происходит преимущественно закладка выработанного пространства. Рудное тело этого горизонта поделено на камеры и междукамерные целики. Выемку дробленой взрывом руды ведут из камер, боковые стенки которых представляют собой цельную руду (пустую породу) или отвердевшие закладочные массы. В аналогичных условиях проводят заполнение выработанных камер закладочным материалом.

Закладочный комплекс представляет собой предприятие, оснащенное необходимым для приготовления закладочной смеси оборудованием. Это могут быть дробилки, грохоты, смесители. При транспортировании жидкой закладочной массы по трубопроводам в последние с целью компенсации их гидравлического сопротивления периодически подают сжатый воздух, а для предотвращения схватывания закладочной смеси к ней добавляют глину.

МКЦ – междукамерный целик; К - камера; А – выемка руды из камер; Б – закладка камер и выемка руды из междукамерных целиков; 1 - комплекс приготовления закладочной смеси; 2 – ствол для подачи закладочной смеси; 3 – штреки для транспортирования руды и подачи закладочной смеси; 4 - рудоспуск; 5 – горизонтальные выработки (орты) для разбуривания камер (междукамерных целиков), подачи закладочной смеси и доставки руды; 6 - рудовыпускной канал; 7 – рудоподъемный ствол; 8 – выпускные выработки (воронки или траншеи); 9 - подсечка; 10 – скважины для зарядов взрывчатых веществ; 11 - копер

Рисунок 24 – Схема отработки месторождения с использованием монолитной закладки выработанного пространства

Использование закладки выработанного пространства позволяет увеличить добычу руд и топлива (за счет охранных целиков) и ликвидировать значительную часть хранящихся на земной поверхности твердых отходов. Однако закладка – дорогостоящее мероприятие, существенно сказывающееся на себестоимости добываемых полезных ископаемых.

Удешевление и сокращение потребления закладочных материалов повышает эффективность процесса. Например, закладки материалов, основанных на вспучивании.

Геотехнология. При открытой и подземной разработке полезных ископаемых все труднее добиваться эффективных результатов как с точки зрения дальнейшего повышения производительности труда и снижения себестоимости продукции, так и с точки зрения охраны природы.

В связи с этим большое внимание уделяется разработке геотехнологических процессов добычи полезных ископаемых, которые исключают вынос на земную поверхность пустых пород. Под геотехнологией понимают совокупность химических, физико-химических, биохимических и микробиологических методов добычи полезных ископаемых на месте их залегания.

Геотехнологические методы выгодно отличаются от обычных методов добычи полезных ископаемых: добычу ведут через скважины, средством добычи служит рабочий агент (теплоноситель, растворитель), исключается тяжелый труд (так как управление процессом ведется на поверхности земли), в то время как переработку руды проводят на месте залегания.

К геотехнологическим методам относят скважинную гидродобычу, подземную выплавку полезных ископаемых, подземную газификацию углей, возгонку сублимирующихся веществ и ряд других (рисунок 25).

Скважинная гидродобыча широко практикуется в промышленности, например, для получения рассолов NaCl – сырья для производства хлора, гидроксида натрия (каустической соды) и водорода, а также карбоната натрия (кальцинированной соды). В скважину, пробуренную до залежи каменной соли, нагнетают воду, через нее же отбирают получающийся рассол. Аналогичным путем можно проводить добычу калийных солей.

а – подземное выщелачивание соли; б – скважинная гидродобыча; в - подземная выплавка; г – электротехнологическая добыча; д – подземная газификация

Рисунок 25 – Примеры использования геотехнологических методов добычи полезных ископаемых

Разработан способ гидромеханического разрушения руды с подачей ее в виде гидросмеси через скважину. Способ применяют к глубокозалегающим фосфоритам, особенно к рыхлым рудам: железным, марганцевым и бокситам. Используют также подземную выплавку легкоплавких минералов, например, серы и ее залежей. Для этого в скважину по одной трубе подают гидросмесь под давлением при температуре до 150-160 °С, а по другой – нагретый сжатый воздух.

Предложено использовать для подземной выплавки битума и серы токи высокой частоты.

Принцип подземной газификации, то есть добычи горючих ископаемых путем перевода их в газообразное состояние, осуществляется для углей, которые поджигают посредством введения в трубу воздуха и выводят газообразное топливо через другую трубу непосредственно на предприятие для его переработки.

Микробиологические методы. Из отвалов горных и обогатительных фабрик извлекают содержащиеся в них ценные компоненты методами микробиологии, основанными на способности ряда видов микроорганизмов в определенных условиях переводить нерастворимые минеральные соединения в растворимое состояние. Используют для извлечения ценных компонентов, содержащихся в твердых отходах горных обогатительных предприятий, с помощью методов кучного и подземного бактериального выщелачивания.

Под бактериальным выщелачиванием понимают процесс избирательного извлечения химических элементов из многокомпонентных соединений в процессе их растворения в водной среде микроорганизмами.

Метод бактериального выщелачивания может быть применен при любом способе выщелачивания, если в нем не используют повышенные температуры и давления.

Известно довольно большое число видов микроорганизмов, которые можно применять для бактериального выщелачивания различных элементов и руд. Однако в промышленности наиболее широко для этой цели используют тионовые бактерии и железобактерии, которые могут окислять двухвалентное железо до трехвалентного, а также перерабатывать сульфидные материалы. Свою клеточную массу они строят из воды и углерода, который получают путем усвоения CO₂ , выделяемого из атмосферы или из руды. Единственным источником энергии для жизненных процессов этих микроорганизмов, являющихся хемоавтотрофами, служат реакции окисления неорганических соединений различных металлов и элементной серы.

Железобактерии способны окислять сульфидные минералы, переводя их в сульфаты прямым и косвенным путем. В последнем случае они переводят закисное сернокислое железо в оксидную форму, которая сама служит энергичным окислителем и хорошим растворителем сульфидов:

2FeSO₄ + ½ O₂ + H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + H₂O (48)

Fe₂(SO₄)₃ +MeS→MeSO₄ + 2 FeSO₄ +S (49)

Сульфат железа (III) быстро регенерируется железобактериями из FeSO₄, что значительно (в 7-18 раз) ускоряет растворение ряда минералов.

Железобактерии широко используют в промышленности для бактериального выщелачивания меди из отходов и бедных руд. Для их обработки (выщелачивания) используют водный раствор на основе сульфата железа (III) и серной кислоты в присутствии Al₂(SO₄)₃, FeSO₄ и тионовых бактерий. Под действием этого раствора сульфиды меди переходят в растворимое состояние:

Fe₂(SO₄)₃ + 2CuS + 2 H₂O + 3O₂→ 2CuSO₄ + 4FeSO₄ + 2H₂SO₄ (50)

Полученный раствор медного купороса может быть подвергнут цементации (обработке железным скрапом) для выделения металлической меди. Образующаяся медь может быть отделена от циркулирующего в установке раствора выщелачивания в виде концентрата – вязкой тёмно-коричневой влажной массы, содержащей около 80 % цветного металла.

Другим возможным путём выделения меди из раствора после выщелачивания может быть электролиз.

Технологический процесс бактериального выщелачивания также имеет несколько вариантов в зависимости от вида обрабатываемого материала (отвалы обогатительных предприятий, подземных залежей, шлаков и т.п.). Наиболее сложным техническим приёмом является вариант подземного выщелачивания, а более простым - кучное выщелачивание отвалов.

Комбинированная схема этих процессов приведена на рисунке 26.

1 - насос; 2 – прудок для выращивания и регенерации бактерий; 3 – отвалы медьсодержащих руд; 4 - коллектор; 5 – скважины для орошения рудного тела; 6 – обрабатываемый участок рудной залежи; 7 - отстойник для медьсодержащих растворов; 8 – сборник насыщенных медью растворов в горной выработке; 9 – горизонтальная горная выработка; 10 - цементатор; 11 – сушка цементной меди; 12 - вагон; 13 – компрессорная установка для обогащения кислородом бактериального состава

Рисунок 26 - Схема кучного и подземного бактериального выщелачивания медной руды

Бактериальный раствор насосом 1 из прудка 2 подаётся на орошение медьсодержащих отвалов 3 и/или закачивается через коллектор 4 в скважины 5, пробуренные для орошения участка рудной залежи 6. Профильтровавшийся через толщу отвальной породы и обогащённый медью раствор через толщу отвальной породы и обогащённой медью раствор через дренирующую систему самотёком или насосом направляется в отстойник 7. Сюда же насосами подаётся аналогичный раствор из сборников 8 различных горизонтов 9 шахты медного рудника. Из отстойника 7 насыщенный медью раствор подаётся в цементатор 10, откуда цементная медь в виде концентрата передаётся на сушку (11) и затаривание (12). Обедненный по меди раствор из цементатора возвращается в прудок 2. Для регенерации и выращивания микроорганизмов в прудок подаётся воздух из компрессорной 13. Оптимальными условиями для развития тионовых бактерий являются температура 25-35 °С и кислотность раствора, отвечающая значениям рН 2-4.

Метод бактериального выщелачивания в значительных масштабах используют для извлечения из руд урана. Проводятся исследования по бактериальному выщелачиванию с помощью тионовых бактерий Zn, Mn, As, Co и др. Ведётся поиск других видов микроорганизмов с целью извлечения более широкого круга полезных веществ. Метод бактериального выщелачивания перспективен для переработки твёрдых отходов горнообогатительных и других предприятий, так как он позволяет значительно снизить себестоимость ценных полезных ископаемых, чему способствует быстрое размножение микроорганизмов и простота используемой аппаратуры. Это расширит сырьевые ресурсы промышленности, обеспечит реализацию более глубокого комплексного использования минерального сырья.