ОПТИМАЛЬНОЕ СОЧЕТАНИЕ СПОСОБОВ ОБОГАЩЕНИЯ СУЛЬФИДНЫХ МЕДНО-НИКЕЛЕВЫХ РУД ТЕХНОГЕННОГО ОБЪЕКТА «ОТВАЛЫ АЛЛАРЕЧЕНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ»

Болтыров В.Б.¹, Селезнев С.Г.², Стороженко Л.А.³

¹ ORCID:0000-0001-8049-6162, Доктор геолого-минералогических наук, Уральский государственный горный университет,  ² Кандидат геолого-минералогических наук, ООО «Горнорудная компания «Монолит» ³ ORCID: 0000-0003-4185-956Х, Кандидат геолого-минералогических наук, Уральский государственный горный университет

ОПТИМАЛЬНОЕ СОЧЕТАНИЕ СПОСОБОВ ОБОГАЩЕНИЯ СУЛЬФИДНЫХ МЕДНО-НИКЕЛЕВЫХ РУД ТЕХНОГЕННОГО ОБЪЕКТА «ОТВАЛЫ АЛЛАРЕЧЕНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ»

Аннотация

На примере техногенного месторождения «Отвалы Аллареченского месторождения» рассмотрено оптимальное сочетание различных способов обогащения сульфидных медно-никелевых руд: магнитной сепарации и биологического выщелачивания, обеспечивающих рентабельную эксплуатацию и инвестиционную привлекательность техногенных образований.

Ключевые слова: техногенное месторождение, отвал, сульфидные медно-никелевые руды, гравитационные методы обогащения, магнитная сепарация, биологическое выщелачивание.

Boltyrov V.B.¹, Seleznev S.G.², Storozhenko L.A.³

¹ORCID:0000-0001-8049-6162, PhD in Geology and Mineralogy, Ural State Mining University, ² PhD in Geology and Mineralogy, OOO « Mining Company «Monolit» ³ ORCID: 0000-0003-4185-956Х, PhD in Geology and Mineralogy, Ural State Mining University

OPTIMAL COMBINATION OF METHODS OF ENRICHMENT OF SULFIDE COPPER-NICKEL ORES OF TECHNOGENIC OBJECT «DUMPS OF ALLARECHENSKOE DEPOSIT»

Abstract

On the example of man-made deposit «Heaps of Allarechenskoe field» the alternative existing schemes of the classical methods of extracting minerals from the rock mass pile are considered. The article proposes the method of magnetic separation, that wasn’t previously used for the enrichment of sulphide copper-nickel ores, it is simple and allows you to receive high-quality concentrate without the use of expensive equipment, and using of it determines the investment efficiency of field development.

Keywords: the technogenic deposit, dump, sulfide copper-nickel ore, gravity beneficiation methods, magnetic separation, biological leaching.

Техногенный объект «Отвалы Аллареченского месторождения» представляет собой новый геолого-промышленный тип техногенных образований (ТО) со специфическим характером «оруденения», требующим принципиально новых технологий горно-обогатительного производства [1].

Разведочные работы на данном объекте проводились в период с 2006 по 2010 год. На первом этапе были проведены ревизионно-оценочные работы, в результате которых был выполнен подсчет ресурсов и запасов медно-никелевых руд и на основе которых были представлены технико-экономические расчеты, подтверждающие рентабельность отработки отвалов. На втором этапе была произведена оценка состояния окружающей среды в районе размещения отвалов и выполнены геологоразведочные работы, по итогам которых были разработаны технико-экономические кондиции, явившиеся основой для подсчета и утверждения запасов, а объекту присвоен статус техногенного месторождения (ТМ).

ТМ «Отвалы Аллареченского месторождения расположено в северо-западной части Кольского полуострова, вблизи границы Российской Федерации с Норвегией и Финляндией. Административно оно находится на территории муниципального образования городского поселка Никель Печенгского района, в 45 км южнее районного центра.

Месторождения представляет собой ТО в форме плоско террасированного отвала, образованного отходами добычи медно-никелевых руд коренного Аллареченского месторождения (рис. 1), разработка которого осуществлялась открытым способом и была завершена в 1971 г.

Рисунок 1 – Схематичный разрез ТМ «Отвалы Аллареченского месторождения»:

1 – коренные скальные породы; 2 – рыхлые песчано-глыбовые четвертичные отложения; 3 – заболоченная почва; 4 – вскрышные, преимущественно безрудные породы (гнейсы, гранито-гнейсы, амфиболиты); 5 – вскрышные породы и в разной степени оруденелые вмещающие породы (перидотиты, оливиниты, контактовые амфиболиты и др.), концентрируют в себе наибольшую часть забалансовых руд и балансовых руд - из числа потерь и некондиционных прослоев.

Формирование ТМ происходило слоями, мощностью до 2,0 м с образованием ярусов, которые на отдельных участках сливались в единый откос. Первый (нижний) ярус определяет общую площадь отвала, равную 31,3 га. Объём его пород составляет, примерно, 3,3 млн. м³. Вышележащие ярусы возвышаются над нижним на 15-20 м, их площадь определена в 10,5 га. Максимальная разница абсолютных отметок кровли верхнего яруса и подошвы отвала достигает 50-ти метров. Общий объём пород оценивается в 6,7 млн.м³. Угол естественного откоса изменчив и колеблется от 30 до 60⁰.

Гранулометрический состав породной массы весьма неравномерен и характеризуется следующими усредненными параметрами: (-2000+500 мм) – 5-15 %; (-500+300 мм) – 15-25 %; (-300+150 мм) – 25-25 %; (-150+5) – 25-30 %; (-5 мм) – 10-15 %.

Методика разведочных работ строилась на условиях подготовки объекта к опытно-промышленной разработке, поэтому разведкой был охвачен верхний ярус на глубину 4 метра. На разведочной площади 60,2 тыс. м² пройдено 97 наземных горных выработок с плотностью разведочной сети 25х25-50 м, кроме того, выбран участок детальной разведки с параметрами 12.5х50 м. Проведенные работы показали, что в породной массе отсутствуют какие-либо рудные тела и зоны, в классическом их понимании, а распределение рудных обломков носит хаотичный характер. Вследствие этого методика опробования строилась из приоритета получения данных о средневзвешенном содержании полезных компонентов в отдельно взятом объеме (выработке). Для этих целей в каждой выработке отбирались две 4-х метровые бороздовые пробы, с противоположных бортов, которые затем объединялись в одну валовую пробу, в которой и определялись содержания полезных компонентов. При формировании отвала забалансовые руды и балансовые руды неконциционных прослоев складировались без образования спецотвалов и вывозились совместно с вскрышными и вмещающими породами в общий отвал, где подвергались перемешиванию и тем самым разубоживались. В результате применение классических схем обогащения по понятным причинам становится не эффективным, а альтернативные результативные пробы обогащения сульфидно-никелевых руд отвалов отсутствовали.

В целом в мировой и российском практике на сегодняшний день накоплен крайне незначительный и непредставительный опыт по вовлечению в освоение ТО, сформированных отходами горнодобывающей промышленности так как активность горнорудных компаний акцентируется в направлении лишь перечистки хвостов с получением профильных и реже – непрофильных компонентов.

Так как критерием готовности к освоению любого месторождения является экономическая эффективность его разработки, особое внимание было уделено изучении руд и их технологических свойств, а  также поиску простого и дешевого способа извлечения концентрата, пригодного для пирометаллургического передела без дополнительного обогащения.

Руды месторождений представлены двумя морфологическими типами: массивные, с содержанием полезных компонентов: Ni 5-18%, Cu 0,15-8%, Co до 0,3%; и вкрапленные с интервалом содержаний соответственно: от 7,9%, 4,9%, и 0,12% (для богатых руд) до 0,»%, 0,12% и 0,008% (для убогих руд).

В процессе изучения руд были определены два основных свойства, которые могли бы успешно использоваться при их обогащении: гравитационная и магнитная контрастность.

Так, тестирование гравитационных свойств показало, что каждому интервалу плотностей пород и руд соответствуют определенные содержания полезного компонента:

Магнитные отличия базируются на тесной парагенетической связи основных рудообразующих минералов – пентландита и халькопирита с природными ферромагнетиками, которыми являются магнетит и моноклинный пирротин.

В результате, уды были разделены на два технологических типа по фракционному размеру: +5(+3) мм и -5(-3)+0 мм.

В крупнозернистой фракции были проведены испытания по возможности применения следующих способов обогащения: тяжелосредной сепарации, отсадки и магнитной сепарации (последний способ предложен авторами для обогащения медно-никелевых руд впервые [2]). Все три способа показали близкие результаты:

Применение магнитной сепарации существенно увеличивает экономический эффект освоения месторождения в части снижения капитальных затрат и эксплуатационных расходов. В итоге при разработке технико-экономических обоснований (ТЭО) кондиций для подсчета запасов, окончательный выбор был сделан в пользу магнитной сепарации, как более простой, результативной и экономически эффективной.

На сегодняшний день данная технология является новаторской и ранее не апробированной. Однако проведенные полупромышленные испытания показали, что ее применение, при разработке данного типа месторождений, позволяет уверенно обогащать как рядовые, так и богатые руды во фракционном диапазоне -60+5 (+3)мм, и получать качественный концентрат с совокупными содержаниями Ni 3,3-3,7 % и Cu 1,8-2,2% [3].

Обогащение мелкозернистой фракции изучалось способами: магнитной сепарации, мелкозернистой гравитации (винтовой сепаратор в комплексе с концентрационными столами) и методом химического выщелачивания. К сожалению, ни один способ не дал значимого положительного эффекта (наилучший полученный результат: извлечение Ni – 40%). Так как мелкозернистая фракция составляет 10-15 % всех объемов месторождения, и сложности ее обогащения влияют на общий показатель сквозного извлечения полезных компонентов, в планах разработки месторождения данную фракцию решено консервировать, для поиска более приемлемых технологий.

В целом применение магнитного способа обогащения значительно упростило общую, планируемую схему разработки месторождения.

Магнитная сепарация имеет ряд преимуществ, в сравнении с другими способами: отсутствие необходимости в оборотной воде, широкий температурный диапазон применения, энергоемкость простота и надежность. Кроме того, в предложенной схеме используются исключительно самоходные и передвижные механизмы. В результате реализация проекта не требует капитального строительства, что существенно повышает его инвестиционную привлекательность.

Предложенный способ обогащения одобрен комиссией ГКЗ РФ при утверждении технико-экономических обоснований эффективности промышленного освоения техногенного месторождения и постановке на государственный баланс его запасов [2].

После магнитной сепарации из руд ТМ «Отвалы Аллареченского месторождения» получен концентрат со средними содержаниями Ni 2,0-3,5%, Cu 1,5-2,2%, Co 0.03-0.08%. Для дальнейшего повышения эффективности извлечения ценных компонентов из руд отвалов ООО «ГРК «Монолит» в 2012 г. провело работы по изучению возможности извлечения цветных металлов с помощью биотехнологии.

Руды ТМ «Отвалы Аллареченского месторождения» являются благоприятными к биовыщелачиванию вследствие своих структурно-текстурных особенностей. Установлена последовательность выщелачивания сульфидов: пирротин →пентландит→ халькопирит, пирит. Выщелачиванию пентландита способствуют его кристаллическое строение, трещиноватость, замещение вторичными минералами, усиливающими деструктуризацию минерала.

В ходе минералогических исследований были выявлены благоприятные и неблагоприятные факторы для процессов биологического выщелачивания руды.

Благоприятными факторами являются:

• размеры выделений пентландита;
• трещиноватость пентландита, замещение его виоларитом и бравоитом, способствующие более быстрой деструктуризации минерала.

Неблагоприятными факторами являются:

• высокая доля минералов, обладающих повышенной сорбционной способностью;
• состав породообразующих минералов, среди которых преобладают упорные к биовыщелачиванию минералы алюмосиликатного состава − амфиболы, хлорит, оливин;
• срастания пентландита с пирротином, электродный потенциал которого ниже, чем у пентландита, что приводит в первую очередь к выщелачиванию пирротина, выполняющего роль анода в гальванической паре пентландит-пирротин, что вызывает в начальной стадии выщелачивания ингибирование бактерий;
• незначительное количество сростков пентландита с халькопиритом, имеющего более высокий электродный потенциал и являющегося в гальванической паре пентландит-халькопирит катодом, ускоряющим разрушение пентландита.

Совершенно очевидно, что применение дорогостоящих агитационных методов вряд ли будет благоприятным для технико-экономических показателей освоения объектов типа ТМ «Отвалы Аллареченского месторождения». Наиболее перспективным и эффективным методом может оказаться кучное биологическое выщелачивание, себестоимость которого в 2-3 раза ниже чанового, при продолжительности процесса около года.

В настоящее время институтом ИРГИРЕДМЕТ проводятся укрупненные лабораторные испытания и технико-экономические расчеты по целесообразности применения технологии кучного бактериального выщелачивания цветных металлов из продуктов магнитной сепарации отвалов. Одна из рассматриваемых схем установки приведена на рисунке 2.

В настоящее время ООО «ГМК «Монолит» располагается мощностью получения 12 тыс. т концентрата в год, что определяет следующие годовые показатели установки биологического выщелачивания после её выхода в эксплуатационный режим (табл. 1).

Рисунок 2 – Схема цепи аппаратов установки кучного выщелачивания:

1 – штабель на стадии формирования; 2 – штабель на стадии орошения; 3 – пруд-сборник оборотный растворов; 4 – пруд-сборник продуктивный растворов; 5 – штабель окисления железа; 6 – воздуходувка; 7 – пруд-сборник окисленных продуктивный растворов; 8 – чан нейтрализатор; 9 – бункер дробленого известняка; 10 – шаровая мельница; 11 – спиральный классификатор; 12 – чан контактный; 13 – система автоматического титрования; 14 – шламохранилище; 15 – пруд-сборник нейтрализованных продуктивный растворов; 16 – чан –осадитель; 17 – реагентный чан; 18 – пруд-отстойник; 19 – пресс-фильтр; 20 – чан культивации бактерий; 21, 22 – насос химический растворный; 23, 24 –насос химический песковый; 25 – печь-прокалочная.

Разработка техногенного месторождения планируется сплошным забоем, с расталкиванием забалансовых руд (т.е. участков, вовлечение которых в переработку на начальном этапе экономически нецелесообразно) за пределы отвала.

Подсчет запасов месторождения осуществлен по данным опробования, с выделением блоков категорий запасов С₁, C₂ и участков с забалансовыми содержаниями, и произведен по следующим, утвержденным в ТЭО кондиций параметрам: 1 – глубина подсчета запасов – до глубины разведки (4 м); 2 –оконтуривание подсчётных блоков по бортовому содержанию никеля 0,2% (табл. 2).

Таблица 1 - Экономические показатели установки биологического выщелачивания

Таблица 2 - Запасы полезных ископаемых верхнего яруса ТМ «Отвалов Аллареченского месторождения»

При подсчете запасов, ТЭО кондиций были исключены, как не обоснованные: подсчет запасов забалансовых руд; оконтуривание блоков по бортовому содержанию условного металла; подвеска категорий запасов С₂ снизу оконтуренных блоков С₁.

Несмотря на то, что ресурсы месторождения не велики и составляют по разным оценкам около 1 млн. т руды со средним содержанием Ni 0,54 % и Сu 0,47 %, разработка даже разведанных на сегодняшний день запасов является экономически привлекательным, обладающим низким риском инвестиционным проектом.

Даже при самых неблагоприятных ценах на никелевый концентрат, срок окупаемости капитальных вложений составит 1,2 года. А при реализации проекта на условиях вовлечения в переработку всего ресурса месторождения, и увеличении горизонта расчета до 5-8 лет, с высокой степенью вероятности, следует ожидать получение стабильной, гарантированной прибыли.

Литература

1. Селезнев, С. Г. Отвалы Аллареченского сульфидного медно-никелевого месторождения как новый геолого-промышленный тип техногенных месторождений / С. Г. Селезнев. Н. А. Степанов // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. – 2011. №5. С. 32-40.
2. Селезнев, С. Г. Нетрадиционные эффективные способы обогащения сульфидных медно-никелевых руд на примере Аллареченского техногенного месторождения / С. Г. Селезни // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. – 2011. №8. C. 118-125.
3. Селезнев С. Г. Отвалы Аллареченского месторождения сульфидных медно-никелевых руд - специфика и проблемы освоения: Автореф. дис. канд. геол.-минерал. наук. – Екатеринбург, 2013. – 23 с.
4. http://metallicheckiy-portal.ru/index-cen-lme (дата обращения: 20.03.15).
5. Адамов Э.В., Панин В.В. Биотехнология металлов: Курс лекций. М.: Изд. Дом МИСиС, 2008.-153с.
6. Reimann, C., Ayras, M., Chekushin, V., Bogotyrev, I., Boyd, R., Caritat, P.de, Dutter, R., Finne, T.E., Halleraker, J.H., Jager, O., Kashulina, G., Niskavaara, H., Pavlov, V., Raisanen, M.L. Strand, T. and Volden, T. Environmental Geochemical Atlas of the Central Barents Region. NGU-GTK-CKE special publication. – Trondheim: Geological Survey of Norway, 1998. - 745 p.

References

1. Seleznev, S. G. Otvaly Allarechenskogo sul'fidnogo medno-nikelevogo mestorozhdenija kak novyj geologo-promyshlennyj tip tehnogennyh mestorozhdenij / S. G. Seleznev. N. A. Stepanov // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Gornyj zhurnal. – 2011. №5. S. 32-40.
2. Seleznev, S. G. Netradicionnye jeffektivnye sposoby obogashhenija sul'fidnyh medno-nikelevyh rud na primere Allarechenskogo tehnogennogo mestorozhdenija / S. G. Selezni // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Gornyj zhurnal. – 2011. №8. C. 118-125.
3. Seleznev S. G. Otvaly Allarechenskogo mestorozhdenija sul'fidnyh medno-nikelevyh rud - specifika i problemy osvoenija: Avtoref. dis. kand. geol.-mineral. nauk. – Ekaterinburg, 2013. – 23 s.
4. http://metallicheckiy-portal.ru/index-cen-lme (data obrashhenija: 20.03.15).
5. Adamov Je.V., Panin V.V. Biotehnologija metallov: Kurs lekcij. M.: Izd. Dom MISiS, 2008.-153s.
6. Reimann, C., Ayras, M., Chekushin, V., Bogotyrev, I., Boyd, R., Caritat, P.de, Dutter, R., Finne, T.E., Halleraker, J.H., Jager, O., Kashulina, G., Niskavaara, H., Pavlov, V., Raisanen, M.L. Strand, T. and Volden, T. Environmental Geochemical Atlas of the Central Barents Region. NGU-GTK-CKE special publication. – Trondheim: Geological Survey of Norway, 1998. - 745 p.