Способ захоронения хвостов обогащения в подземных выработках рудников

 

Изобретение относится к горно-металлургической промышленности, в частности к захоронению хвостов обогащения и гидрометаллургической переработки полезных ископаемых в местах естественного залегания и добычи этих полезных ископаемых, например в подземных выработках рудников. Способ захоронения хвостов обогащения в подземных выработках рудников включает в себя подземную добычу руды, формирование в очистном пространстве целиков и захоронение хвостов обогащения в составе закладки, причем очистное пространство, образуемое при добыче руды, расширяют путем извлечения пустых вмещающих пород вприсечку к очистному пространству между целиками, а соотношение между объемами добываемой руды, извлекаемых пустых вмещающих пород и расходом твердой фазы хвостов обогащения в закладку определяют из выражения где V_п - объем пустых вмещающих пород в условиях естественного залегания, м³; V_p - объем добываемой руды в условиях естественного залегания, м³; k_х - коэффициент выхода хвостов обогащения после обогащения и гидрометаллургической переработки руды; k_з - коэффициент заполнения пустот закладкой; g_p - объемный вес руды в массиве, т/м³; g_x - расход твердой фазы указанных хвостов в готовую закладку, т/м³.Технический результат - захоронение в подземных выработках рудников всего объема твердой фазы хвостов обогащения, гидрометаллургическая переработка извлеченной из недр руды, освобождение земной поверхности от вредного влияния хвостохранилищ.

Предлагаемое изобретение относится к горно-металлургической промышленности, в частности к захоронению хвостов обогащения и гидрометаллургической переработки полезных ископаемых в местах естественного залегания и добычи этих полезных ископаемых, например в подземных выработках рудников.

Известен способ складирования радиоактивных отходов хвостов в хвостохранилищах, предусматривающий создание двух карт хвостохранилища с возможностью перепуска воды из верхней карты в нижнюю; формирование слоя цеолитов в верхней карте таким образом, что его верхняя часть выступает над водной поверхностью на 1/4 его мощности, и экранирование свободной поверхности верхней карты и надводной части сорбирующего радон слоя полиэтиленовой пленкой, чем достигается эффект предотвращения эманации радона из хвостов в окружающую среду (см. патент РФ 2090946).

Недостаток известного способа заключается в том, что хвостохранилище оказывает вредное воздействие на окружающую среду, так как с течением времени защитные барьеры хвостохранилища подвергаются эрозии и разрушению, в результате чего содержащиеся в хвостохранилище вредные элементы, например долгоживущие радионуклиды, выходят на поверхность и загрязняют атмосферу и приповерхностные слои почвы. Указанный способ не подходит для длительной изоляции хвостов обогащения, а может использоваться только для их временного хранения.

Наиболее близким к заявленному является способ захоронения хвостов обогащения в подземных выработках рудников, включающий подземную добычу руды с отработкой камер очередями, при котором закладочные массивы, сформированные закладкой камер предыдущей очереди, служат целиками на флангах отрабатываемых камер последующей очереди, и размещение хвостов обогащения в подземном выработанном пространстве в составе закладочной смеси, при этом обесшламленные хвосты обогащения примешивают в закладочную смесь в качестве инертного наполнителя и размещают в полостях, образующихся в результате добычи руды (Хомяков В. И. Зарубежный опыт закладки на рудниках. М.: Недра, 1984, с. 38-40).

Недостатком этого способа является то, что вследствие разрыхления руды при добыче и измельчении и небольших объемов извлекаемых из руды при ее обогащении концентратов в сравнении со всем объемом обогащаемой руды объем твердой фазы хвостов обогащения, подлежащий захоронению, существенно превышает объем подземного выработанного пространства, образуемого в недрах при добыче руды. В результате большую часть образующихся хвостов приходится размещать в хвостохранилищах, что приводит к загрязнению окружающей среды после вывода хвостохранилища из-под контроля.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи по созданию способа, обеспечивающего захоронение в подземных выработках рудников всего объема твердой фазы хвостов обогащения и гидрометаллургической переработки извлеченной из недр руды.

Задача решена путем создания способа захоронения хвостов обогащения в подземных выработках рудников, включающего подземную добычу руды, формирование в очистном пространстве целиков и захоронение хвостов обогащения в составе закладки, при этом очистное пространство, образуемое при добыче руды, расширяют путем извлечения пустых вмещающих пород вприсечку к очистному пространству между целиками, а соотношение между объемами добываемой руды, извлекаемых пустых вмещающих пород и расходом твердой фазы хвостов обогащения в закладку определяют из выражения где V_п - объем пустых вмещающих пород в условиях естественного залегания, м³; V_p - объем добываемой руды в условиях естественного залегания, м³; k_х - коэффициент выхода хвостов обогащения после обогащения и гидрометаллургической переработки руды; k_з - коэффициент заполнения пустот закладкой; g_p - объемный вес руды в массиве, т/м³; g_x - расход твердой фазы указанных хвостов в готовую закладку, т/м³.

Расширение очистного пространства за счет извлечения пустых вмещающих пород позволяет захоранивать в подземных выработках рудника весь объем хвостов, получаемых при обогащении. Извлечение пустых вмещающих пород вприсечку к очистному пространству между целиками позволит предотвратить неконтролируемое самообрушение вмещающих пород. Применение указанного соотношения позволит для каждого из конкретных камеры, блока или рудника в целом определить дополнительный объем выработанного пространства, образуемого извлечением пустых вмещающих пород, которого в сумме с объемом очистного пространства, образуемого при добыче руды, будет достаточно для размещения всего объема твердой фазы хвостов, образованных за счет обогащения руды, добытой в указанных камере, блоке или руднике.

При захоронении хвостов обогащения по заявленному способу на флангах по простиранию выемочного блока или камеры формируют целики. Если оставление рудных целиков нежелательно, рудное тело делят на камеры с разной очередностью отработки, например в две очереди, и располагают их так, что между камерами первой очереди находятся камеры второй очереди (см., например, Закладочные работы в шахтах. Справочник. М.: Недра, 1989, с. 341 и рис. 22.28; с. 348 и рис. 22.36). Размеры камер определяют расчетом или опытным путем, исходя из конкретных горно-технических условий, но при этом целесообразно, чтобы ширина камер второй очереди была больше, чем ширина камер первой очереди. Отработанные камеры первой очереди заполняют закладочной смесью с содержанием вяжущего, обеспечивающим прочность закладочного массива, достаточную для сопротивления опорному давлению, возникающему при отработке и расширении камер второй очереди отработки. Закладочные массивы, сформированные в результате закладки камер первой очереди, служат в качестве искусственных целиков для камер второй очереди.

После добычи руды из камер второй очереди между этими целиками отбивают известными способами, например буровзрывным, вмещающие пустые породы со стороны висячего или лежачего, или обоих боков на свободное очистное пространство, придавая образуемой полости цилиндрическую или сфероидальную форму, что способствует повышению устойчивости ее стенок в сравнении с их исходным плоскопараллельным состоянием. При этом форма создаваемой полости должна обеспечивать возможность выпуска из полости отбитых боковых пород. Это условие может быть реализовано, например, заданием минимально допустимых откосов стенок полости при самотечном поступлении отбитых пород в выпускные выработки или отбойкой пород только со стороны висячего бока, если по тем же соображениям отбойка со стороны лежачего бока нарушит условия выпуска. Отбитые вмещающие породы вывозят из рудника и складируют на дневной поверхности.

После выпуска отбитых пустых вмещающих пород в выработках днища блока, сообщающихся с выработками откаточного горизонта между целиками, возводят непроницаемые для закладочной смеси перемычки и днище блока заполняют такой же закладкой, как и при заполнении камер первой очереди, вследствие чего расширенная полость оказывается изолированной снизу и по бокам. После этого в расширенной полости размещают закладку, которая может быть приготовлена с добавками вяжущих, как твердеющая, без вяжущих, как гидравлическая или воздушно-сухая из обезвоженных хвостов обогащения.

Одновременно с горными работами готовят закладочную смесь по технологиям, обеспечивающим максимальное использование твердой фазы хвостов обогащения в закладке. Преобладающую часть твердой фазы хвостов обогащения руд цветных металлов составляют шламы (см. Гидравлическое складирование хвостов обогащения. Справочник. М. : Недра, 1991, с. 24-33). В хвостах гидрометаллургической переработки урановых руд содержание шламов еще больше, поэтому при подготовке закладочных смесей из хвостов обогащения или гидрометаллургической переработки урановых руд возникает ряд проблем, связанных с ограничением объемов шламовых фракций в смесях по условиям их транспортирования и твердения. Эти проблемы решают путем использования в закладку обесшламленных хвостов или примешивания дополнительных объемов песчано-гравийной смеси или дробленых пород в смеси с повышенным содержанием шламовых фракций. По состоянию на сегодняшний день наиболее прогрессивными представляются технологии, основанные на приготовлении закладочных паст (смесей), в которых смешивают хвосты и дробленую породу (см., например, Ерофеев И.Е., Крупник Л.А., Соколов Г. В. Использование хвостов обогатительных фабрик для закладки на рудниках цветной металлургии Казахстана. Обзорная информация, вып. 1. М.: ЦНИИЦВЕТМЕТ экономики и информации, 1986, а также Richard Brummer. Paste: The Fill of the Future? (Part 1). Canadian Mining Journal, Nov./Dec., 1991, p. 31035).

Мы полагаем, что дробленая порода в закладочной смеси полностью или частично может быть заменена дробленой забалансовой рудой, которая в экологическом аспекте также представляется загрязнителем окружающей среды. Указанные закладочные смеси транспортируют в места укладки трубопроводным транспортом. Для повышения расхода хвостов обогащения в закладку по заявленному способу может быть использована комбинированная схема, при которой из твердеющей закладки, приготовленной описанными способами, формируют целики, а в расширенные камеры второй очереди укладывают предварительно обезвоженные до состояния определенной влажности неклассифицированные хвосты, используя для их транспортировки, например, пневматический, колесный или конвейерный транспорт.

Выполнение работ по заявленному изобретению потребует дополнительных затрат сил и средств, поэтому существенно важно, чтобы объемы добычи руды, технологические возможности закладочного комплекса по использованию хвостов в закладке и объемы создаваемых для закладки пустот были обоснованно сбалансированы. Этот баланс обеспечивается соотношением Соотношение между объемами извлекаемых пустых вмещающих пород V_п и добываемой руды V_p находится в зависимости от факторов, характеризующих выход хвостов из обогащаемой руды, возможности закладочного комплекса по подготовке и транспортированию закладочных смесей, содержащих хвосты, свойства закладочных смесей и технологию их укладки в выработанное пространство. Характеристики учтенных в формуле факторов состоят в следующем:
- коэффициент выхода хвостов после обогащения руды k_х численно равен относительной доле хвостов от массы, поступающей на обогащение руды, например, если из 100 т руды, поступившей на обогатительную фабрику, извлечено 5 т концентрата, то это означает, что из указанных 100 т руды образовано 95 т хвостов в пересчете на твердую фазу, а k_х = 0,95;
- коэффициент заполнения пустот закладкой k₃ отражает тот факт, что закладка в результате твердения и консолидации закладочной смеси дает усадку, а технология размещения закладочной смеси в выработанном пространстве не обеспечивает заполнения всех пустот, вследствие чего величина этого коэффициента изменяется, например, в пределах 0,8-0,9 и всегда меньше 1;
- расход твердой фазы хвостов в готовую закладку g_x характеризует технологическое совершенство схемы подготовки закладочной смеси из хвостов обогащения, прежде всего, в отношении возможностей сгущения и транспортирования материала твердой фазы хвостов: на предприятиях цветной металлургии Казахстана достигнут расход хвостов от 0,8 до 1,5 т на 1 м³ готовой закладки (см., например, Ерофеев Т. Е. , Крупник Л.А., Соколов Г.Д. Использование хвостов обогатительных фабрик для закладки на рудниках цветной металлургии Казахстана. Обзорная информация, вып. 1. М.: ЦНИИЦВЕТМЕТ экономики и информации, 1986, табл. 1);
- сумма объемов извлекаемых пустых пород V_п и руды V_p представляет собой объем, необходимый для закладки всей массы хвостов, полученных в результате обогащения руды, при этом величину V_p определяют как отношение веса добытой руды к ее объемному весу g_p, а объем извлекаемых пустых пород V_п определяют по выведенной из предложенного соотношения формуле

При применении заявляемого способа в горно-металлургической промышленности обеспечивается захоронение всех образующихся хвостов обогащения извлеченной из недр руды в подземных выработках рудников, благодаря чему достигается природоохранный эффект, заключающийся в освобождении земной поверхности от экологической нагрузки, вызываемой вредным влиянием хвостохранилищ.

Дополнительный эффект от осуществления заявленного способа заключается в том, что в случае необходимости извлечения из хвостов и забалансовой руды дополнительных объемов основного или сопутствующих полезных ископаемых сформированный в заложенных пустотах закладочный массив может быть отработан, например, методом подземного блочного выщелачивания с использованием проведенных ранее выработок и без загрязнения земной поверхности химическими реагентами и продуктами выщелачивания.

Формула изобретения

Способ захоронения хвостов обогащения в подземных выработках рудников, включающий подземную добычу руды, формирование в очистном пространстве целиков и захоронение хвостов обогащения в составе закладки, отличающийся тем, что очистное пространство, образуемое при добыче руды, расширяют путем извлечения пустых вмещающих пород вприсечку к очистному пространству между целиками, а соотношение между объемами добываемой руды, извлекаемых пустых вмещающих пород и расходом твердой фазы хвостов обогащения в закладку определяют из выражения

где V_п - объем пустых вмещающих пород в условиях естественного залегания, м³;
V_p - объем добываемой руды в условиях естественного залегания, м³;
k_х - коэффициент выхода хвостов обогащения после обогащения и гидрометаллургической переработки руды;
k_з - коэффициент заполнения пустот закладкой;
g_p - объемный вес руды в массиве, т/м³;
g_x - расход твердой фазы указанных хвостов в готовую закладку, т/м³.