способ уплотнения осадков в хвостохранилищах

Формула изобретения

1. Способ уплотнения осадков в хвостохранилищах, включающий естественное медленное сплошное замораживание суспензии хвостов обогащения на всю ее глубину в зимний период при отрицательных температурах на предварительно подготовленных площадках до расчетной высоты, оттаивание суспензии в летний период при положительных температурах с разделением на уплотненный осадок и осветленную воду, слив осветленной воды, образовавшейся в летний период, извлечение уплотненного осадка с помощью технических средств и его складирование в картах-хранилищах, отличающийся тем, что уплотнению подвергают выпадающие осадки суспензии сапонита, содержащиеся в хвостовой пульпе, которую непрерывно и поочередно перекачивают в одну из двух площадок, освобождающуюся после извлечения из одной из них с помощью технических средств уплотненного осадка сапонита и зимой и летом, причем для замораживания суспензии используют площадки, каждая из которых защищена по контуру дамбой с образованными в ней открываемыми шлюзами для сброса осветленной воды в размещенный ниже уровня площадок пруд осветленной воды и имеющих твердое грунтовое основание, выровненное горизонтально земной поверхности, а к размещенному в картах-хранилищах уплотненному осадку сапонита прикладывают дополнительную гравитационную нагрузку от накапливаемых вышележащих слоев для приобретения осадком сапонита дополнительной прочности и плотности скелета, достаточной для его промышленного применения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что защитные дамбы предварительно образуют из выпавших в осадок при сбросе на площадки пульпы из пульпопровода твердых частиц в виде пляжей, а после промерзания верхнего слоя суспензии на достаточную глубину для безопасного передвижения техники (бульдозера, скрепера, скреперной лебедки) периодически очищают поверхность замерзшей суспензии от наносов снега для лучшего ее промерзания на всю ее глубину, причем слой сапонита, помещенного в карты-хранилища, достигший плотности _d=1,0-1,1 т/м³, извлекают со дна карты-хранилища с последующим пополнением сверху карт-хранилищ образовавшимся на одной из площадок осадком сапонита.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к методам, позволяющим ускорить образование осадка сапонита, обладающего заданной плотностью, из суспензии, с одновременным ускорением осветления оборотной воды в хвостохранилищах для непрерывного процесса переработки руды, извлекаемой из кимберлитовых трубок месторождения алмазов.

Технологический процесс переработки руды построен таким образом, что после обогащения вмещающие породы, содержащие большое количество сапонита, смешиваются с водой, перемещаются по пульпопроводам и затем складируются в хвостохранилище. При сбросе пульпы из сбросных труб, расположенных по периметру хвостохранилища, песчаная и пылеватая фракции "хвостов" осаждаются в непосредственной близости от них, формируют ограждающие дамбы и пляжную зону хвостохранилища, т.н. экран из хвостов. При этом наиболее мелкая глинистая фракция, состоящая преимущественно из сапонита, поступает в прудковую часть хвостохранилища, в которой должно происходить естественное осаждение минеральной части пульпы и осветление воды. Сапонит (так называемый "мыльный камень") - высокомагнезиальный глинистый минерал, триоктаэдрический смектит, в структуре которого находятся 1-2 монослоя воды. Высокая физико-химическая активность сапонита приводит к тому, что в водной среде он образует тонкодисперсную суспензию, имеющую в естественных условиях очень низкие скорость седиментации и плотность образующегося осадка. В то же время благодаря своему составу и свойствам сапонит является минералом, который может широко применяться в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Из-за высокой дисперсности и развитого диффузного слоя ионов частицы сапонита обладают исключительно высокой устойчивостью в водной среде: скорость их осаждения в пресной воде в лабораторных условиях составляет около 1 мм в сутки или около 0,4 м в год. При этом плотность скелета образующегося осадка составляет 0,13-0,18 т/м³. Крайне низкая плотность образующегося осадка вынуждает периодически увеличивать объем и площадь хвостохранилища в процессе разработки месторождения, что негативно влияет на экологическую обстановку и увеличивает риск загрязнения окружающей среды. Расчеты показывают, что коэффициент разуплотнения пород при разработке месторождения составляет примерно 4. Отлагаясь в породах, слагающих намывные дамбы, сапонит ухудшает их прочностные свойства, что ведет к снижению устойчивости дамб. Низкая скорость осаждения сапонитовой суспензии делает невозможным осветление воды в количестве, необходимом для обеспечения оборотного технологического водоснабжения, что требует увеличения количества дополнительной воды, вовлекаемой в технологический процесс.

Решение поставленных задач не может быть реализовано за счет увеличения площади и глубины хвостохранилища по целому ряду экономических, экологических и других причин. Авторы настоящего изобретения считают, что для этого необходимо разработать способ ускоренного осаждения и уплотнения осадка сапонита и его дальнейшего складирования.

Существуют различные способы обезвоживания и уплотнения осадка - это введение в дисперсную систему коагулянтов или флокулянтов, воздействие на нее различными физическими полями (электрическим, магнитным), механическое воздействие (применение ультразвука, центрифугирование и др.), температурное воздействие. В горном деле для сгущения хвостов наиболее широко используются методы флокуляции и коагуляции. Исследования, выполненные авторами при проведении научно исследовательских работ в Институте геоэкологии РАН (ИГЭ РАН) в 2005-2007 г., а также анализ результатов предшествующих исследований [1] показали, что использование физико-химических методов, обычно применяемых для сгущения хвостов, в случае суспензии сапонита позволяет значительно сократить время образования осадка, но не приводит к существенному увеличению его плотности и уменьшению пористости, которые практически не отличаются от характеристик осадка, образующегося в естественных условиях (см. табл.1). Применение флокулянтов позволяет значительно ускорить осаждение суспензии (скорость почти в 6000 раз превышает скорость осаждения в естественных условиях), но не может решить проблему уплотнения осадка и уменьшения его объема. Средняя плотность скелета осадка при использовании флокулянтов 0,20-0,24 т/м³, что лишь незначительно превышает плотность осадка, образующегося в естественных условиях.

Таблица 1
Плотность сухого осадка, полученного при осаждении суспензии сапонита
Метод осаждения суспензии сапонита	Средняя плотность сухого осадка (т/м3)
В естественных условиях	0,18
При применении неорганических коагулянтов
NaCl	0,25
AlCl3	0,180
Al2SO4	0,179
При применении высокомолекулярных флокулянтов
Magnafloc 155	0,223
Magnafloc 156	0,242
Праестол № 2540	0,241
При воздействии электрическим током	0,280

Результаты исследований свидетельствуют о том, что действие флокулянтов ускоряет процесс уплотнения частиц суспензии сапонита под действием силы тяжести, но не может преодолеть действия сил отталкивания между ними и сблизить их на расстояние, на котором может проявиться действие сил притяжения. Образующийся осадок не стабилен, при перемешивании опять образуется водная суспензия.

Известен способ утилизации снега с примесями из водоема, реализуемый устройством [2]. Сущность способа заключается в том, что для утилизации снега с примесями используют очистной водоем, имеющий твердое основание и стенки по периметру, камеру для сброса в нее льда для последующего его оттаивания, соединенную с водоемом наклонной площадкой для перемешивания с ее помощью удаляемого взломанного регулярно образующегося поверхностного слоя льда на зеркале водоема, образующегося при отрицательных температурах районов крайнего севера, с использованием тросово-блочной системы, оснащенной захватами и силовым механизмом для прямого и обратного хода захвата и ломки льда, причем оставшуюся после удаления льда с поверхности водоема влагу удаляют летом путем использования естественного испарения под воздействием солнечной энергии, а твердую смесь, оставшуюся на дне водоема после испарения влаги, извлекают, просеивают, удаляют мусор и используют для посыпания улиц городов в зимний период вместо смеси песка с солью.

Известный способ позволяет устранить негативное экологическое воздействие на водную среду (проточную или наземную воду, если ее слив осуществляют в котлован), снизить энергозатраты при отделении снега от примесей за счет использования естественной отрицательной температуры районов Крайнего Севера для образования ледяного покрова на поверхности отстойника, а также удаления оставшейся после утилизации льда влаги с поверхности водоема путем естественного испарения под воздействием солнечной энергии и возможность многократного использования осадка в виде твердой смеси со дна отстойника после переработки для посыпания улиц.

Недостаток известного решения заключается в том, что способ не предусматривает медленного сквозного промерзания водоема, необходимого для разделения трудноотделяемого от воды осадка.

Прототипом изобретения по существу решаемой задачи и по количеству общих существенных признаков является способ складирования хвостов обогащения [3]. В известном способе уменьшение объема хвостохранилища осуществляется за счет концентрации твердой фазы хвостовой пульпы. Реализацию способа осуществляют при положительных температурах воздуха путем замораживания пульпы на криогенных установках. Для этого хвостовую пульпу разливают в разъемные ковши, которые передвигают по замкнутой траектории. Попадая в зону холода, пульпа замораживается и через определенный промежуток времени освобождается из ковшей в виде брикетов, которые затем транспортируют к месту хранения (хвостохранилище) и оттаивают при положительных температурах. В процессе оттаивания пульпа разделяется на жидкую и твердую фазы. Жидкая фаза удаляется самотеком. Сгущенная твердая фаза (хвосты) после обезвоживания земснарядами или насосами перекачивается в хвостохранилище и складируется, при этом объем твердой фазы уменьшается.

В зимний период хвостовую пульпу перекачивают с помощью технических средств на предварительно подготовленные дренируемые хвостовые карты и замораживают послойно до расчетной высоты.

Недостатки прототипа заключаются в следующем:

- при значительных объемах производства и количестве получаемой хвостовой пульпы ее замораживание в криогенных установках в летний период является неэкономичным;

- на дренированных хвостовых картах невозможно получить осветленную воду как при медленном послойном замораживании тонкодисперсной хвостовой пульпы (каковой и является водная суспензия сапонита) в зимний период, так и при ее оттаивании;

- после оттаивания тонкодисперсной хвостовой пульпы (каковой и является водная суспензия сапонита) в летний период сгущенная фаза после сброса осветленной воды достигает плотности не выше 0,7 т/м³, что недостаточно для ее промышленного применения и использования в качестве ценного сырья. Полученный уплотненный осадок сапонита нуждается в дополнительной концентрации.

Решаемой технической задачей изобретения является получение в качестве ценного сырья для его промышленного использования сапонита, имеющего плотность скелета не менее 1,0 т/м³ , содержащегося в больших количествах в виде водной суспензии в Прудковой части хвостохранилищ месторождений алмазов (кимберлитовых трубок), например месторождения им. М.В.Ломоносова.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что применяется способ уплотнения осадков в хвостохранилищах, включающий естественное медленное сплошное замораживание суспензии хвостов обогащения на всю ее глубину в зимний период при отрицательных температурах на предварительно подготовленных площадках до расчетной высоты, оттаивание суспензии в летний период при положительных температурах с разделением на уплотненный осадок и осветленную воду, слив осветленной воды, образовавшейся в летний период, извлечение уплотненного осадка с помощью технических средств и его складирование в картах-хранилищах. Согласно изобретению уплотнению подвергают выпадающие осадки суспензии сапонита, содержащиеся в хвостовой пульпе, которую непрерывно и поочередно перекачивают в одну из двух площадок, освобождающуюся после извлечения из одной из них с помощью технических средств уплотненного осадка сапонита и зимой, и летом, причем для замораживания суспензии используют площадки, каждая из которых защищена по контуру дамбой с образованными в ней открываемыми шлюзами для сброса осветленной воды в размещенный ниже уровня площадок пруд осветленной воды и имеющих твердое грунтовое основание, выровненное горизонтально земной поверхности, а к размещенному в картах-хранилищах уплотненному осадку сапонита прикладывают дополнительную гравитационную нагрузку от накапливаемых вышележащих слоев, для приобретения осадком сапонита дополнительной прочности и плотности скелета, достаточной для его промышленного применения. Защитные дамбы предварительно образуют из выпавших в осадок при сбросе на площадки пульпы из пульпопровода твердых частиц в виде пляжей, а после промерзания верхнего слоя суспензии на достаточную глубину для безопасного передвижения техники (бульдозера, скрепера, скреперной лебедки) периодически очищают поверхность замерзшей суспензии от наносов снега для лучшего ее промерзания на всю ее глубину, причем слой сапонита, помещенного в карты-хранилища, достигший плотности _d=1,0-1,1 т/м³, извлекают со дна карты-хранилища с последующим пополнением сверху карт-хранилищ образовавшимся на одной из площадок осадком сапонита.

Предлагаемый способ осуществляют в последовательности согласно блок-схемы, изображенной на фиг.1 и 2.

На фиг.1 в схематической форме изображено строение хвостохранилища, включающее подготовленные площадки 1 и 2, разделенные разделительной дамбой 3, защищенные по контуру ограждающей дамбой 4, оснащенной открываемыми шлюзами (затворами) 5, размещенный ниже уровня площадок 1 и 2 пруд осветленной воды 6.

Стрелками 7 показано направление сброса осветленной воды, стрелками 8 обозначена ежегодная смена накопления и замораживания и оттаивания суспензии сапонита на площадках 1 и 2. Стрелки 9 показывают транспортировку образовавшегося уплотненного осадка сапонита в карты-хранилища, показанные на фиг.2.

На фиг.2 показано схематическое строение карты-хранилища 10, предназначенного для складирования и дальнейшего уплотнения (консолидации) осадка, образовавшегося при замораживании и оттаивании суспензии сапонита на площадках 1 и 2.

Стрелками 11 показано направление естественного стока по рельефу местности осветленной воды, образующейся в процессе консолидации накапливающегося в карте-хранилище 10 уплотненного осадка сапонита.

Свойства осадка, получаемого при применении предложенного метода, приведены в таблицах 2-6.

Таблица 2
Основные физические свойства осадка сапонита, образованного при многократном быстром замораживании-оттаивании суспензии
Температура замораживания, °С	Физические свойства осадка
Влажность W, %	Плотность скелета d, т/м3	Пористость n, %
-3,5	180,0	0,46	83,5
-5	147,5	0,46	83,6
-7	145,5	0,51	81,4
-10	134,1	0,59	78,6
-15	125,6	0,62	77,4
Среднее	146,7	0,53	80,9

Таблица 3
Основные физические свойства осадка сапонита, образованного при многократном замораживании-оттаивании суспензии и последующей фильтрации воды из него
Влажность W, %	Плотность скелета d, т/м3	Пористость n, %	Коэффициент фильтрации Kf, м/с
98,9	0,74	73,2	1,83·10 -4

Таблица 4
Основные физические свойства консолидированного осадка сапонита
Вертикальная нагрузка, МПа	Влажность W, %	Плотность скелета d, г/см3	Коэффициент пористости е, д.е.	Пористость n, %	Коэффициент фильтрации Kf, м/с	Коэффициент консолидации Cv, см2/с
0,001	90,1	0,876	2,674	68,4	6,06·10-5	1,01·10-3
0,002	78,7	0,968	2,373	65,1	4,04·10-5	4,52·10-4
0,003	74,7	0,992	2,265	64,2	2,67·10-5	4,04·10-4
0,004	72,0	1,021	2,192	63,2	4,24·10-6	2,80·10-4
0,005	69,3	1,045	2,187	62,3	2,23·10-6	2,09·10-4
0,006	66,9	1,074	2,125	61,2	9,97·10-7	1,83·10-4
0,007	65,4	1,090	2,020	60,6	8,66·10-7	1,59·10-4
0,008	64,4	1,104	1,991	60,2	5,38·10-7	1,57·10-4

Преимущество предлагаемого изобретения перед известными решениями, а также прототипом при решении той же технической задачи заключается в следующем:

- реализация предлагаемого способа с использованием указанных технических средств обеспечивает непрерывный процесс обогащения руды без увеличения объема хвостохранилища вмещающих пород, смешанных с водой (пульпы), без наращивания высоты дамб либо расширения занимаемых хвостохранилищем площадей;

- утилизация возобновляемого слоя суспензии сапонита из Прудковой зоны хвостохранилища с осветлением оборотной воды и получением осадка сапонита с плотностью 0,7 т/м³, пригодного для дальнейшего уплотнения, обеспечивает непрерывный поочередный прием в одну из освободившихся площадок суспензии сапонита и зимой и летом;

- размещение в картах-хранилищах сапонита с плотностью 0,7 т/м³ обеспечивает возможность, с использованием нагрузки от собственного веса и дополнительной пригрузки, доводить плотность ценного минерала сапонита до величины 1,0-1,1 т/м³, пригодной для промышленного применения в широком круге областей народного хозяйства (добавка к кормам животных и птиц; удобрения для зерновых и овощей и их хранения; для вывода у животных и растений радионуклидов и солей тяжелых металлов; для производства строительных материалов и покрытий с антибактериальными свойствами; в медицине; в нанотехнологиях и многое другое);

- для процесса осаждения сапонита и осветления оборотной воды не требуется дополнительных энергозатрат, так как в предлагаемом способе используется естественная энергия природного климата районов с продолжительной холодной зимой;

- предлагаемый способ обеспечивает простоту и надежность эксплуатации, а также максимально снижает возможность загрязнения акваторий рек и близлежащих территорий.

Авторами проведены лабораторные испытания, реализующие предлагаемый способ. Результаты положительные - существенно ускоряется образование осадка из суспензии сапонита, его плотность скелета при этом увеличивается более чем в 6 раз. Настоящее изобретение обладает существенной новизной в сравнении с аналогами и прототипом и соответствует критерию промышленной применимости. Авторы и заявитель считают, что изобретение может быть защищено Патентом РФ.

При необходимости авторы и заявитель могут представить дополнительные материалы, подтверждающие действенность предлагаемого реализуемого способа, в дополнение к прилагаемым к настоящей заявке.

Источники информации

1. Чистяков А.А. Процессы структурообразования и консолидации техногенных сапонитовых осадков: в связи с созданием хвостохранилища Поморского ГОКа. // Дис. канд. геол.-минерал. наук: 04.00.07, - М., 1994, 235 с.

2. Патент RU № 2048445, МПК C02F 1/22, 101:10 от 1995 г. Бюл. № 32.

3. Авт.св. SU № 1314059, Е21С 41/30; Е02D 17/18 от 30.05.87. Бюл. № 20 (прототип).