В настоящее время во многих случаях выборочная отработка наиболее богатых участков месторождений уже становится невозможной. В связи с наблюдаемой в последние годы тенденцией к уменьшению содержания металлов в рудах все большее значение приобретает промышленное освоение новых сырьевых источников, в том числе некондиционных руд различных генетических и промышленных типов. Одним из эффективных перспективных методов переработки такого сырья является геотехнологический (кучное, подземное выщелачивание металлов из руд) благодаря простоте, низким капитальным и эксплуатационным затратам, менее сложной системе природоохранных мероприятий [1; 94].
Поскольку использование выщелачивания позволяет значительно улучшить технико-экономические показатели деятельности горнорудных предприятий, во многих случаях традиционные горные и обогатительно-металлургические методы добычи руд могут быть заменены геотехнологическими и их комбинациями с горными [2; 17].
Использование метода геотехнологии — подземного выщелачивания для добычи цветных металлов известно с XVI в. С конца 50-х годов прошлого века данный метод начал применяться на урановых месторождениях Запада. Его суть — перевод полезного ископаемого в подвижное состояние и выдача его на поверхность земли через систему скважин.
Выщелачивание — гидрометаллургический метод извлечения ценных компонентов из руд путем их селективного растворения, чаще в воде, растворах кислот, щелочей, солей, также в органических растворителях. Особенность состава и свойств исходного материала, стабильность процесса, возможность регенерации, токсичность, стоимость и дефицитность определяют выбор растворителя.
В основе выщелачивания лежат процессы комплексообразования (при цианировании золота), реакции обменные (обработка окислов и карбонатов металлов кислотами) и окислительно-восстановительные (сульфиды в кислых растворах). Процесс имеет три стадии: подвода реагирующих веществ к твердой поверхности, химической реакции, отвода ее продуктов в раствор. Особенность каждой стадии определяет кинетику выщелачивания, ее эффективность можно повысить химическим, ультразвуковым, термическим воздействием. Иногда выщелачиванию предшествует подготовительная операция, цель которой — перевод выщелачиваемого компонента в более растворимую форму, например, обжиг сульфатизирующий, позволяющий перевести нерастворимые сульфиды в растворимые сульфаты.
Осуществляются следующие способы выщелачивания:
а) перемешивание — при обработке золотых, урановых и других руд после их тонкого измельчения;
б) автоклавное — проводится под давлением и может осуществляться по непрерывному принципу; приобретает большое значение в алюминиевой, урановой, никелевой, вольфрамовой промышленности;
в) сорбционное — метод совмещенного выщелачивания и сорбции ценных компонентов на пенообменных веществах, ускоряющий процесс растворения; снижает расход реагентов и повышает извлечение металлов, например, при переработке золотосодержащих руд;
г) перколяцией — просачивание жидкости сквозь неподвижный слой зернистого материала с целью выщелачивания ценных компонентов и промывки. Осуществляется в чанах-перколяторах деревянных или железных с ложным днищем, покрытым фильтрующей тканью. Сейчас перколяция проводится редко [3; 111].
В настоящее время внутри общих геотехнологических методов добычи полезных ископаемых достаточно четко определились, по крайней мере, три способа: способ скважинного подземного выщелачивания, способ шахтного подземного выщелачивания и способ кучного, или отвального, выщелачивания. Применительно к каждому из трех способов могут быть намечены и объекты их разработки [4; 28]:
а) гидрогенные месторождения урана, марганца и некоторых других полезных ископаемых; зоны минерализации золота, серебра, меди в естественно дробленных, первично осадочных окисленных породах; россыпные месторождения золота, платины и других металлов — для подземного скважинного выщелачивания;
б) мелкие гидротермальные месторождения, залегающие на небольших глубинах, либо весьма крупные месторождения, но с убогим содержанием металлов, не пригодные для разработки традиционными методами; потерянные забалансовые руды на рудниках, отработавших кондиционные запасы; отдельно отстоящие залежи и блоки, требующие для своего традиционного извлечения больших горно-капитальных и подготовительных работ; крупные месторождения с хорошо отличимыми богатыми и убогими рудами для подземного блокового выщелачивания или различного рода его комбинаций со скважинным выщелачиванием или традиционными методами с опережающей выемкой богатых руд;
в) лежалые отвалы бедных и забалансовых руд; лежалые отвалы хвостов обогащения, формирующие техногенные месторождения; отвалы бедных и забалансовых руд текущей добычи; хвосты текущей добычи — для кучного выщелачивания.
Несмотря на достаточно заметное отличие представленных объектов и способов подземного или кучного выщелачивания, их параметров и технических средств, общим для этих способов является необходимость на самых ранних стадиях принятия решений о применении геотехнологических методов добычи глубокого анализа имеющейся информации и проведении исследовательских работ, как правило, осуществляемых в три стадии: опытные, опытно-промышленные и промышленные.
В результате выполнения таких работ при использовании скважинных способов выщелачивания успешно решены вопросы технологии бурения скважин, их конструкции, освоения, систем разработки с определением оптимальной сети бурения, гидродинамических режимов выщелачивания, технологических режимов, разработан и внедрен комплекс мероприятий по охране окружающей среды, рекультивации недр, вод, поверхности, обеспечению общей экологической безопасности применения этой технологии.
При подземном блоковом выщелачивании успешно решены вопросы вскрытия, подготовки и нарезки таких блоков, режимов их орошения, выпуска, сбора растворов, их подачи на перерабатывающие установки и целый комплекс других проблем. Многие вопросы решены и при кучном выщелачивании руд. Благодаря решению этих вопросов за последние годы удельный расход кислоты снизился от первоначального в 5-6 раз. Установлен ряд принципиально новых закономерностей по выщелачиванию металлов в зависимости от окислительно-восстановительного потенциала среды, в результате которых доказано, что по мере снижения рН и роста ЕН при переходе от среды щелочной к кислотной в растворы последовательно переходят такие элементы, как рений, редкоземельные элементы, скандий, уран и т. д. При этом уран имеет двумодальную зависимость оптимального перехода из твердого в жидкое при рН 7,5-8,6 и 1-3, что позволяет использовать для его выщелачивания как карбонатное, так и кислотное выщелачивание с применением окислителей [4; 29].
Внедрение подземного и кучного выщелачивания урановых руд в промышленных масштабах, анализ результатов многочисленных исследований и проектных материалов, природных условий действующих и строящихся предприятий по выщелачиванию руд позволили выявить ряд тех наиболее важных факторов, которые дают возможность сформулировать основные требования к природным, геотехнологическим свойствам (вещественный состав, характер минерализации руд, морфология залежей, ценность полезного ископаемого) и горнотехническим условиям разработки. Последние определяют достижение максимальной полноты извлечения металлов, повышение уровня использования недр и улучшение технико-экономических показателей горных предприятий при освоении их способами подземного или кучного выщелачивания.
При этом определенный интерес представляет принципиальная технологическая схема совместной переработки руд подземным (ПВ) и кучным выщелачиванием (КВ). Она представлена на нижеприведенном рисунке.
Продуктивные растворы после извлечения из них основного компонента и части попутных полезных компонентов распределяются на три части. Одна часть идет на приготовление выщелачивающих растворов (ВР) для подземного выщелачивания, вторая — для кучного и третья — на очистку от солей.
Во второй части используются серная и азотная кислоты, окислители. Продуктивные растворы после кучного выщелачивания направляются на сорбционное извлечение полезного компонента, маточники сорбции — на приготовление растворов для подземного выщелачивания. Такое перераспределение растворов позволит уменьшить соленакопление в продуктивных растворах кучного выщелачивания. Горнорудная масса после кучного выщелачивания промывается водой и может быть использована в качестве наполнителя при строительных работах. При помощи промывных вод приготавливается раствор для подземного выщелачивания. Закисление новых блоков ПВ осуществляется при этом ВР, приготовленными на основе маточников сорбции и промывных вод.
Такая схема производства полезных ископаемых позволит вовлечь в переработку бедные руды, отходы производства, снизить суммарный расход химреагентов, уменьшить загрязнение окружающей среды [5; 89].
Почти десятилетние результаты опытно-промышленных работ и продолжительный опыт промышленного применения ПВ и КВ урановых руд у нас в стране и за рубежом свидетельствуют о широких возможностях оптимизации этих процессов и применительно к другим металлам, которые могут быть добыты геотехнологическими методами, — золоту, меди, молибдену, вольфраму и др., особенно с использованием методов и средств интенсификации этих процессов. При этом в качестве растворителей наиболее эффективно могут быть использованы серная кислота — для получения урана и меди; соляная кислота — цинка, молибдена, вольфрама; азотная кислота — серебра, висмута, цинка; щелочи — бокситов, цинка; растворы солей сернистого натрия — хлористого железа, цианистого натрия — для получения цветных, редких и благородных металлов.
В настоящее время отечественный и зарубежный опыт работы горных предприятий, а также результаты научных исследований [6; 32-35] подтверждают, что привести в действие значительные резервы производства можно путем выщелачивания полезных компонентов из руд, отбитых и замага-зинированных или размещенных в камерах. Это позволит, с одной стороны, попутно извлечь из них полезные компоненты, тем самым снизить потери, а с другой — использовать выщелоченный материал в качестве закладки и исключить часть затрат на утилизацию пустых пород и забалансовых руд. Тем самым можно значительно компенсировать затраты на закладочные работы (исключается часть затрат на приготовление закладочной смеси), резко уменьшить отрицательное влияние горных работ на окружающую среду и, в результате, снизить себестоимость добываемой руды традиционным подземным способом.
