способ подземного выщелачивания окисленных никель-кобальтовых руд

Формула изобретения

1. Способ подземного выщелачивания окисленных никель-кобальтовых руд, включающий вскрытие рудного тела системой закачных и откачных выработок, подачу в закачные выработки выщелачивающего раствора, подъем через откачные выработки продукционного раствора и его переработку, отличающийся тем, что месторождение делят на рудные блоки и последовательно их отрабатывают, при этом откачные и закачные выработки располагают вкрест движению подземных вод и ведут откачку никель-кобальтсодержащего раствора в интервале значений pH, обеспечивающим выпадение в осадок в недрах переведенных в раствор при выщелачивании балластных примесей, представленных, в основном, ионами железа и алюминия.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при величине pH продукционного раствора менее величины pH гидратообразования балластных примесей его откачку переносят в новые откачные выработки, располагаемые по и против потока движения подземных вод, а ранее использованные откачные выработки применяют в качестве наблюдательных.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при отработке рудного блока, примыкающего к контуру месторождения, откачные выработки располагают в безрудной зоне.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при величине pH продукционного раствора менее величины pH гидратообразования балластных примесей осуществляют его подачу в закачные выработки и последующий подъем из откачных выработок, располагаемых в безрудной зоне.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при величине продукционного раствора менее величины pH гидратообразования балластных примесей его подают на безрудный штабель с последующей переработкой профильтровавшихся через него растворов.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что по окончании отработки рудных блоков проводят их промывку пластовыми водами при величине pH в интервале 2,0-3,0.

7. Способ по п.2, отличающийся тем, что при появлении в наблюдательных выработках некондиционных содержаний никеля и кобальта закачку выщелачивающего раствора переносят в последние.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу, а именно к геологическим способам добычи руд цветных металлов.

Геотехнические методы добычи цветных металлов являются наиболее перспективными, позволяющими без нанесения существенного урона окружающей среде отрабатывать рудные залежи и техногенные образования, где содержание ценных компонентов невелико, а отработка их традиционными методами нерентабельна.

Известен способ (патент США № 3309140, кл. 299-4.1967), согласно которому вскрытие рудного тела осуществляют системой откачная скважина - закачные скважины с последующей подачей выщелачивающего раствора через закачные скважины, а откачку продуктивного раствора - через откачные. Недостатком способа является отсутствие информации по управлению процессом подземного выщелачивания, а следовательно, и возможности получения заданного значения величины pH для дальнейшей переработки продуктивного раствора.

Известен способ выщелачивания металлов из руд (а.с. SU № 1491076 кл. E21B 43/28), согласно которому продуктивный горизонт вскрывают системой откачных и закачных скважин и последовательно подают в закачные скважины пластовою воду и кислород, затем - раствор серной кислоты, двухвалентного железа и кислорода, выдерживают раствор в контакте с продуктивным горизонтом до нейтрализации кислоты и окисления двухвалентного железа, подают серную кислоту и откачивают через откачные скважины продукционный раствор. Недостатком способа является его многостадийность и трудность регулирования величины pH продуктивного раствора.

Известен способ подземного и кучного выщелачивания сульфидных медьсодержащих полиметаллических руд, в котором выщелачивание проводят раствором серной кислоты в присутствии соединений меди, железа и др. (а.с. № 1308639, кл. C22B 3/08). Недостаток способа - повышенная концентрация кислоты в продукционном растворе, приводящая к невысокому извлечению полезных компонентов в процессе дальнейшей переработки.

По патенту RU № 2075522 проводят выщелачивание колчеданных руд, содержащих карбонатные материалы. Вследствие высокой кислотоемкости таких руд возникают трудности с достижением необходимого значения величины pH продукционного раствора, что приводит к значительным потерям извлекаемых компонентов.

По патенту RU № 2073790 рудное тело вскрывают чередующимися рядами откачных и закачных скважин, подачу в закачные скважины выщелачивающего раствора и откачку через откачные скважины продукционного раствора. Закачку раствора начинают с максимальной концентрацией выщелачивающегося реагента с последующим ее снижением. Недостатком способа является увеличение времени отработки месторождения и трудности при переработке растворов с высоким содержанием выщелачивающего реагента на этапе его подачи с повышенной концентрацией.

По патенту RU № 2355793 при кучном выщелачивании первый штабель руды выщелачивают раствором кислоты повышенной концентрации. Если величина pH выходящего раствора более 2,0, раствор направляют на извлечение никеля. Если же величина pH менее 2,0, то этот раствор может быть направлен на следующий рудный штабель для повышения величины pH.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу подземного выщелачивания окисленных никель-кобальтовых руд, принятым за прототип, является «Способ подземного выщелачивания руд цветных металлов» (патент RU № 2293844), согласно которому на месте извлечения окисленной никель-кобальтовой руды сооружают закачные и откачные горные выработки. Подают выщелачивающие растворы кислоты в закачные выработки с закислением и последующей отработкой рудного тела, выводят продуктивный раствор через откачные выработки, при этом закисление сернокислыми растворами с их выстаиванием в рудном теле ведут при pH не более 1,5, а вывод продукционных растворов осуществляет при pH не более 1,0.

При закислении сернокислыми растворами с их выстаиванием в рудном теле при pH не более 1,5 происходит выщелачивание никеля. Одновременно в раствор переходит значительное количество (от 10 до 30 г/дм ³) трехвалентного железа и 1-3 г/дм³ алюминия, которые необходимо выводить на операции железоотчистки с использованием известняка, оксида кальция, магния, брусита, доломита при значениях pH в интервале 3,5-4,5. Это, в свою очередь, влечет за собой дополнительные технологические операции по отделению образующейся твердой фазы от никельсодержащего продуктивного раствора и ее складирования, что предоставляет собой значительные трудности, а выведение продуктивных растворов при pH не более 1,0 еще более усугубляет эту ситуацию.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка способа подземного выщелачивания окисленных никель-кобальтовых руд.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является снижение затрат на выщелачивание никель-кобальтовых руд на месте залегания и улучшение экологической обстановки на месте производства работ.

Технический результат достигается тем, что рудное тело, подлежащее отработке, делят на рудные блоки и последовательно их отрабатывают, располагают закачные и откачные выработки вкрест движению подземных вод, при этом откачку продукционных никель-кобальтовых продукционных растворов ведут в интервале значений рН, обеспечивающим выпадение в осадок в недрах переведенных в раствор балластных примесей, представленных в основном ионами железа и алюминия. В случае снижения величины рН продукционного раствора ниже величины гидратообразования балластных примесей откачку его переносят в новые соседние откачные выработки, располагаемые по и против потока движения подземных вод, при этом ранее используемые откачные выработки применяют в качестве наблюдательных, а при появлении в последних некондиционных содержаний никеля и кобальта закачку переносят в них.

При отработке рудного блока, примыкающего к безрудной зоне, откачные выработки располагают в последней.

Вариантом способа является сооружение в безрудной зоне системы закачных и откачных выработок или же безрудного штабеля породы на поверхности и, соответственно, подачу и откачку продукционного никель-кобальтового раствора из них на последующий передел.

На заключительной стадии осуществляют водную отмывку отрабатываемых блоков.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Подлежащее отработке месторождение окисленных никель-кобальтовых руд делят на рудные блоки и разбуривают системой закачных и откачных выработок, располагаемых вкрест движению подземных вод, подают в закачные выработки раствор серной кислоты, откачивают на поверхность продукционный раствор, величина pH которого больше величины гидротообразования основных балластных примесей до появления растворов с меньшей величиной pH их гидратообразования. Это вызвано тем, что при соответствующих величинах pH балластные примеси выпадают в осадок, образуя гидроксиды металлов, а никель и кобальт при этом остаются в растворе даже при значениях pH, равных 7,0-8,0.

Это позволяет, контролируя и поддерживая оптимальную величину pH откачиваемого на поверхность продукционного раствора, очищать его от балластных примесей, существенно затрудняющих его дальнейшую переработку, упростить технологическую схему и избежать строительства шламохранилища для сбора и хранения балластных примесей.

По мере выщелачивания величина pH продукционного раствора снижается и при достижении ее соответствующих значений содержание балластных примесей возрастает, ухудшая тем самым качественные показатели продукционного раствора. Это приводит к необходимости переноса откачки в новые смежные откачные выработки, а используемые ранее откачные выработки использовать в качестве наблюдательных для контроля полноты отработки выщелачиваемой части рудного блока.

При появлении в этих наблюдательных выработках некондиционных содержаний никеля и кобальта считают эту часть рудного блока отработанной и переносят в них подачу выщелачиваемого раствора.

При отработке рудного блока, примыкающего к контуру месторождения, откачные скважины сооружают в его безрудной зоне. Перенос откачных выработок на новое место при понижении величины pH продукционного раствора менее величины pH гидратообразования балластных примесей осуществляют как в направлении движения потока подземных вод, так и в противоположном направлении. При этом для ускорения отработки месторождения используют одновременно оба направления.

Для погашения избыточной кислотности продукционных растворов возможно использование вмещающих (безрудных) пород, обладающих повышенной раегентоемкостью. С этой целью безрудную зону месторождения разбуривают системами закачных и откачных выработок и подают в закачные выработки продукционные растворы, величина pH которых менее величины pH гидратообразования балластных примесей с любой стадии выщелачивания отрабатываемого блока месторождения. Очищенные растворы из откачных выработок подают на переработку.

Аналогичным вариантом погашения кислотности продукционных раствором является использование сооружаемых на поверхности штабелей безрудных пород. Откачиваемые из рудного блока продукционные растворы подают на безрудный штабель известными способами, собирают и направляют очищенные продукционные растворы из его нижней части на переработку.

По окончании отработки рудного блока проводят отмывку сорбированных породой никеля и кобальта, используя подкисленные подземные воды с величиной pH в интервале 2,0-3,0.

Возможность осуществления предлагаемого технического решения иллюстрируют схемы расположения рядов закачных и откачных выработок в процессе подземного выщелачивания и примеры, поясняющие возможность осуществления заявляемых параметров процесса.

На рисунках 1-6 показаны принципиальные схемы последовательного изменения назначения рядов закачных и откачных выработок рудных блоков, располагаемых по и против движения подземных вод, в зависимости от величины pH и содержания никеля и кобальта в продукционном растворе в процессе выщелачивания, а также возможные схемы снижения кислотности продукционных растворов и их кондиционирования.

Рисунок 1 - Расположение закачных ( ), откачных ( ) и невовлеченных в отработку новых ( ) выработок при кондиционных содержаниях никеля и кобальта и величине pH продукционного раствора в выработках ряда 2 не менее 3,0.

Рисунок 2 - Расположение закачных ( ), откачных ( ) и наблюдательных ( ) выработок при величине pH продукционного раствора в выработках ряда 2 менее 3,0.

Рисунок 3 - Расположение закачных ( ), откачных ( ) и выведенных из отработки закачных ( ) выработок при появлении в выработках ряда 2 некондиционных содержаний по никелю и кобальту.

Рисунок 4 - Расположение закачных ( ), откачных ( ) и выведенных из отработки закачных ( ) выработок смежного с контуром месторождения рудного блока при появлении в наблюдательных выработках ( ) некондиционных содержаний по никелю и кобальту.

Рисунок 5 - Расположение закачных ( ) и откачных ( ) выработок при величине pH продукционного раствора в откачном ряду 2 менее 3,0.

Рисунок 6 - Расположение закачных ( ) и откачных ( ) выработок и безрудного штабеля при величине pH продукционного раствора в откачном ряду 2 менее 3,0.

Зависимость содержания никеля, железа и алюминия от величины pH продукционного раствора иллюстрирует пример 1.

Пример 1

Исходный продукционный раствор, полученный при выщелачивании окисленной никелевой руды и содержащей, г/л: Ni - 1,9; Со - 0,02; Fe - 4,6; Al - 1,2; значения pH и Eh 1,2 и 600 мВ, соответственно, обрабатывали при перемешивании на магнитной мешалке известняком. В процессе нейтрализации кислотности замеряли значения pH и Eh, отбирали пробы и анализировали их. Результаты определений представлены в таблице 1.

Таблица 1
Зависимость содержания Ni, Co, Fe, Al в продукционном растворе от величины pH
Содержание, г/л	Величина pH
	1,2	2,0	2,5	3,0	4,0	4,5	6,0	7,0
Ni	1,90	1,90	1,90	1,89	1,89	1,89	1,87	1,86
Co	0,02	0,02	0,02	0,02	0,02	0,019	0,019	0,017
Fe3+	4,60	3,80	2,60	0,04	0,04	0,009	0,00	0,00
Al	1,20	1,20	1,10	0,20	0,15	0,10	0,01	0,01
Eh, мВ	630	614	562	451	373	356	284	154

Как видно из данных таблицы 1, при величине pH в интервале 3,0-7,0 содержания никеля и кобальта практически не меняются, а содержания железа и алюминия (основных балластных примесей) снижаются до значений, позволяющих извлекать никель и кобальт известными способами с высокими экономическими показателями.

Аналогичная картина (процесс нейтрализации) наблюдается при подземном выщелачивании во время движения выщелачивающих растворов от закачной к откачной выработке. При появлении в откачной выработке значений pH продукционного раствора менее 3,0, сопровождающемся существенным увеличением содержаний железа и алюминия (основных мешающих процессу переработки растворов элементов), откачку ведут из новых откачных выработок, что позволяет повысить величину pH извлекаемого продукционного раствора и очистить его от мешающих примесей.

Возможность нейтрализации продукционных растворов путем их фильтрации через безрудные вмещающие породы при условии удержания никеля и кобальта в растворе при подземном выщелачивании окисленных никель-кобальтовых руд иллюстрирует пример 2.

Пример 2.

К навескам проб безрудной вмещающей породы массой по 100 г каждая добавили аликвоты продукционного раствора, содержащего, г/л: Ni - 1,9; Co - 0,02; Fe - 4,6; Al - 1,2 до Ж:Т=5, 10 и 15. Исходная величина рН продукционного раствора составляла 1,4, 2,0 и 2,5. Время контакта - 10, 20 и 40 суток при периодическом перемешивании. По истечении каждого отрезка времени определяли содержания никеля и кобальта, замеряли показатели pH и Eh раствора. Результаты определений приведены в таблице 2.

Таблица 2
Результаты изменения содержаний никеля и кобальта в растворе в зависимости от исходного значения pH раствора и величины Ж:Т
Исходная величина pH	Показатель	Время, сут
		10	20	40
Ж:Т=5
1,4	Ni, г/л	2,145	2,014	1,994
	Со, г/л	0,022	0,023	0,019
	pH	2,6	3,37	3,68
	Eh, мВ	542	511	438
2,0	Ni, г/л	2,103	2,003	1,946
	Co, г/л	0,021	0,020	0,019
	pH	2,82	3,82	3,821
	Eh, мВ	530	472	426
2,5	Ni, г/л	1,969	1,942	1,923
	Co, г/л	0,021	0,020	0,019
	pH	3,10	4,02	4,28
	Eh, мВ	498	461	4,17
Ж:Т=10
1,4	Ni, г/л	2,278	2,052	2,008
Исходная величина pH	Показатель	Время, сут
		10	20	40
	Co, г/л	0,024	0,023	0,021
	pH	2,37	2,92	3,00
	Eh, мВ	564	528	448
2,0	Ni, г/л	2,278	2,031	1,975
	Co, г/л	0,024	0,021	0,021
	pH	2,72	3,36	3,58
	Eh, мВ	571	484	444
2,5	Ni, г/л	1,984	1,966	1,940
	Co, г/л	0,023	0,022	0,021
	pH	2,92	3,81	4,01
	Eh, мВ	540	488	429
Ж:Т=15
1,4	Ni, г/л	2,296	2,135	2,027
	Co, г/л	0,026	0,026	0,024
	pH	2,27	2,74	2,89
	Eh, мВ	612	598	530
2,0	Ni, г/л	2,286	2,061	1,985
	Co, г/л	0,026	0,024	0,023
Исходная величина pH	Показатель	Время, сут
		10	20	40
	pH	2,64	3,12	3,20
	Eh, мВ	598	496	487
	Ni, г/л	1,996	2,000	1,961
2,5	Co, г/л	0,026	0,025	0,024
	pH	2,75	2,94	3,40
	Eh, мВ	592	498	469

Как видно из данных таблицы 2, практически при всех исходных величинах pH продукционных растворов и значениях Ж:Т после контакта их с безрудной вмещающей породой, представленной серпентинитами, показатели pH достигают значений 3,0 и более при дополнительном извлечении никеля. При этом происходит очистка продукционных растворов от основных мешающих процессу переработки примесей - железа и алюминия.

Далее навеску безрудной вмещающей породы после контакта с продукционным раствором в течение 30 суток по примеру 2 разделили на жидкую и твердую фазы. Твердую фазу обработали подкисленной до величины pH=2,0 пластовой водой, не содержащей никеля и кобальта, при отношении Ж:Т=2,0. Содержания никеля, кобальта, железа, алюминия в растворе соответственно составили, г/л: Ni - 0,842; Co - 0,084; Fe - 0,044; Al - 0,023. Как видно из результатов анализа проведение на заключительной стадии выщелачивания операции отмывки подкисленной водой с величиной pH=2,0 позволяет извлекать дополнительное количество никеля и кобальта и улучшать экологическую ситуацию на месте проведения работ. Аналогичный результат получен при использовании подкисленной воды до величины pH=3,0.

Такая же картина наблюдается в случае нейтрализации продукционных растворов с величиной pH менее 3,0 путем их пропускания через безрудный штабель породы, сооруженный на поверхности.

Таким образом, приведенные схемы отработки месторождения окисленных никель-кобальтовых руд и примеры осуществления заявленных параметров процесса показывают преимущества и возможность осуществления предлагаемого способа выщелачивания окисленных никель-кобальтовых руд.