Подземное выщелачивание

Минеральный состав полезного ископаемого определяет саму возможность применения выщелачивания. К минералам, растворимым в воде, относятся хлориды, сульфаты и карбонаты щелочных металлов. В кислотах растворяется большинство окислов, гидроокислов, карбонатов и сульфидов.

Влияние минерального состава можно проиллюстрировать на примерах урана и меди.

В зависимости от валентности урана различают три группы урановых минералов; 1) минералы, образованные четырехвалентным ураном (браниерит, давидит, тантало-ниобат и др.); 2) минералы, в которых принимают участие четырех- и шестивалентный уран (простые окислы, относящиеся к группам уранита и настурана, гидросиликаты и др.); 3) минералы, образованные шестивалентным ураном (гидроокислы, сульфаты, карбонаты, фосфаты, арсениты, ванадаты и др.).

Первая группа минералов характерна для магматических и пегматитовых, вторая — для гидротермальных и отчасти осадочных, третья — для экзогенных месторождений.

При переработке руд шестивалентного урана извлечение в раствор составляет 90—98%. Выщелачивание четырехвалентного урана затруднено; в этом случае необходимо предварительное окисление урана до шестивалентного. Окисление может проводиться различными способами. Чаще всего в растворы добавляют окислители: азотную кислоту, пиролюзит, кислородсодержащий газ и т. п. Шестивалентные минералы урана хорошо растворяются также в карбонатных растворах (сода, карбонат аммония) тогда как четырехвалентный растворяется в них только в присутствии окислителей. Таким образом, несмотря на большое разнообразие урановых минералов, большинство из них легко растворяются в слабых кислотах и щелочах.

Минералы меди весьма многочисленны (более 150). Самым распространенным из них является халькопирит. Он растворяется в азотной кислоте с выделением серы, в других кислотах практически нерастворим. В присутствии кислорода халькопирит окисляется, переходя в сульфаты железа и меди, а затем в карбонаты, окислы и гидроокислы. При взаимодействии с сульфатом трехвалентного железа халькопирит переходит в легко растворимую сульфатную форму. Аналогичные халькопириту свойства имеют борнит и другие минералы — сульфиды меди. Окисленные минералы (малахит, азурит, хризоколла; куприт и др.) легко растворимы в кислотах.

Минералы золота в отличие от урана и меди весьма немногочисленны. Чаще всего встречается самородное золото, в котором в качестве изоморфных примесей присутствуют палладий, родий, иридий, платина, серебро, висмут. Самородное золото взаимодействует с образованием растворимых продуктов реакции с галогенами, царской водкой, кислотами в присутствии окислителей, цианистыми солями, ртутью, гидросульфидами щелочных металлов.

Состав породообразующих минералов при выборе выщелачивающих агентов имеет не меньшее значение, чем минеральный состав полезного ископаемого.

По характеру взаимодействия с растворителем породообразующие минералы можно подразделить на следующие группы: а) инертные; б) взаимодействующие с рабочим агентом без образования вредных продуктов реакции; в) взаимодействующие с растворителем с образованием продуктов реакции, ухудшающих условия выщелачивания; г) минералы, способствующие выщелачиванию.

При подземном выщелачивании урана кислотами примерами инертных минералов являются кварц, полевые шпаты и другие силикаты, слабо взаимодействующие с кислотой. К минералам второй группы относятся глинистые минералы, взаимодействие которых с рабочим агентом сводится к ионному обмену и коагуляции коллоидов, а также, возможно, к частичному растворению,

К минералам, оказывающим вредное влияние, относятся прежде всего карбонаты. Широко распространенный в рудах кальцит, вступая в реакцию с серной кислотой, образует гипс и углекислый газ. Гипс, обладающий слабой растворимостью, выпадает в порах, кольматируя их и препятствуя дальнейшему движению растворов. Ту же роль играет и углекислота, которая заполняет наиболее крупные поры и тем самым снижает относительную проницаемость руд часто до нуля. Поэтому при содержании в рудах кальцита в количестве более 5% выщелачивание считается чрезвычайно затрудненным, К минералам, способствующим выщелачиванию, относятся сульфиды железа: пирит, мельниковит и др. В зоне окисления эти минералы разлагаются с образованием свободной серной кислоты, и в ряде случаев эта кислота сама служит выщелачивающим агентом.

Комплексной характеристикой вещественного состава руд может служить кислотоемкость, характеризующая количество рабочего агента, нейтрализуемого единицей массы руды и выражаемая обычно в процентах. Кислотоемкость в значительной степени определяет затраты рабочих агентов на единицу добытого полезного ископаемого и, соответственно, экономические показатели.

Важную роль играет минеральный состав руд при микробиологическом выщелачивании. Так, например, присутствие хлоридов и молибдена тормозит развитие использующихся для выщелачивания бактерий Thiobacilles ferrooxidans, в то же время наличие записного железа и сульфидных минералов увеличивает их активность.

Для того чтобы извлечь полезное ископаемое из рудной залежи, необходимо обработать растворителем как саму рудную залежь, так и связанные с ней водоносные породы. В результате диффузии и капиллярных явлений растворами прорабатывается и часть водоупоров. При этом растворитель будет нейтрализоваться из-за реакции с вмещающими породами.

Чтобы определить целесообразность выщелачивания, следует сравнить количество (стоимость) растворителя, который будет нейтрализован, с извлекаемыми запасами (стоимостью) полезного ископаемого,

При диффузионном выщелачивании содержание полезного ископаемого в руде определяет также и возможность получения растворов промышленной концентрации. Величина концентрации продуктивного раствора не может быть выше, чем концентрация в поровом растворе внутри руды. Максимально возможное значение последней определяется отношением содержания полезного ископаемого в единице объема руды к объему порового пространства.

Структура и текстура руд определяют степень доступности минералов полезного ископаемого. Характеристикой доступности может служить площадь поверхности минералов в единице объема руды, образующая стенки сообщающихся пор. Как известно, скорость реакции прямо пропорциональна площади контакта реагента с веществом, поэтому чем больше доступность минералов полезного ископаемого, тем быстрее идет выщелачивание. В связи с этим наиболее благоприятными для выщелачивания являются руды, в которых минералы полезного ископаемого образуют пленки на стенках трещин и пор, или представлены в виде зерен среди песчаных пород. Первая структурно-текстурная разновидность особенно характерна для зон окисления и вторичного обогащения коренных месторождений; вторая — для эпигенетических месторождений.

Пористость руд является одним из основных факторов, определяющих ход выщелачивания. При отсутствии (пли весьма низких значениях) пористости рудные минералы оказываются недоступными для растворов. Обычно руды экзогенного происхождения обладают достаточно высокой пористостью, но характер ее может быть различным. Выщелачивание руд, обладающих активной пористостью, происходит фильтрационным путем. Процесс выщелачивания идет тем быстрее, чем больше активная пористость. Для руд, не обладающих активной пористостью, возможно только диффузионное выщелачивание, при всех условиях протекающее намного медленнее, чем фильтрационное.

Проницаемость руд определяет скорость фильтрации раствора при заданном градиенте давлений. Как правило, чем выше проницаемость, тем быстрее идет выщелачивание при благоприятной структуре руды. Однако на условия выщелачивания влияют не только фильтрационные свойства самой руды, но и соотношение их со свойствами вмещающих пород.

По этому признаку рудные залежи можно подразделить на:

1. Проницаемые водонасыщенные руды, залегающие среди водоупорных вмещающих пород. Они наиболее благоприятны для выщелачивания, так как фильтрация происходит только по руде. Концентрация продуктивных растворов может достигать высоких значений. Потерн вещества-растворителя складываются из расхода на отработку руды и практически ничтожных потерь на диффузию в кровлю и почву пласта.

2. Проницаемые руды залегают среди проницаемых вмещающих пород, являясь частью водоносного горизонта. В этих условиях фильтрация рабочих растворов происходит как по рудам, так и по вмещающим породам. Продуктивный раствор в результате поперечной диффузии распространяется и в безрудные породы. При больших мощностях безрудных пород и небольшом расстоянии между нагнетательными и дренажными рядами по некоторой части пласта поступает рабочий раствор, не содержащий полезный компонент. В результате происходит снижение концентрации откачиваемых растворов, степень которого зависит от соотношения мощностей и коэффициентов фильтрации руд и вмещающих пород, числа поверхностей раздела рудных и безрудных слоев, скорости и длины пути фильтрации растворов. Кроме того, установлено, что рабочие растворы, будучи высокоминерализованными, наиболее быстро вытесняют воды из нижней части пласта. Поэтому нахождение руд в этой части пласта создает более благоприятные условия для выщелачивания. Расход выщелачивающего агента для залежей второго типа определяется кислотоемкостью пород, слагающих весь водоносный горизонт.

3. Слабопроницаемые маломощные руды залегают среди проницаемых пород. Выщелачивание залежей этого типа может происходить лишь вследствие диффузии, возможно только при малой мощности прослоев (до 10—15 см) и при частом их чередовании с проницаемыми породами.

4. Сложные условия залегания: часть руд является проницаемой, а часть — водоупорной. Основной особенностью выщелачивания в таких условиях является то, что извлечение металла из слабопроницаемых руд начинается только после полного выщелачивания проницаемых. Причиной этого являются высокие концентрации продуктивных растворов в проницаемых рудах, что может привести даже к диффузии полезного компонента в норовое пространство слабопроницаемых руд,

5. Слабопроницаемые руды большой мощности среди проницаемых пород.

6. Слабопроницаемые руды среди слабопроницаемых пород.

Разработка руд последних двух типов без предварительной подготовки невозможна, так как нельзя обеспечить фильтрацию рабочих растворов в поровом пространстве руд без их предварительного рыхления. Что же касается диффузии, то замедленность этого процесса может быть проиллюстрирована следующим примером. Чтобы выщелочить гипс, содержащийся в количестве 0,1% по массе в слое глины мощностью 1 м, понадобится 50 лет. Тот же процесс в слое мощностью 0,4 м будет продолжаться 12 лет, а в слое 0,25 м — 3 года. Moжно предположить, что и другие элементы будут извлекаться приблизительно с такой же скоростью.

Перечисленные свойства руд играют ту же роль и при микробиологическом выщелачивании металлов.

Очевидно, что наиболее благоприятными являются такие условия, когда рудное тело является одновременно и водоносным горизонтом. В этих условиях происходит конвективное выщелачивание, при котором концентрация полезного компонента в растворе достигает высоких значений.

Если проницаемое рудное тело составляет лишь часть водоносного горизонта, то по безрудной части фильтруются пустые растворы, которые, смешиваясь в дренажных скважинах с продуктивными растворами, разбавляют последние.

Процессы диффузии приводят к уменьшению степени разбавления, причем диффузия сказывается тем заметнее, чем больше скорость фильтрации и чем меньше мощность безрудных слоев.

Наличие безрудных проницаемых прослоев приводит к снижению максимальной концентрации, а начало и конец выходной кривой становятся более пологими.

Выщелачивание из руд, обладающих только диффузионной проницаемостью, возможно при их предварительном разрыхлении, а также в том случае, когда руды чередуются с проницаемыми породами в виде тонких прослоев.

Полное извлечение полезного ископаемого из руды в результате диффузии практически невозможно (если при этом не меняется проницаемость руд).

Граничные гидрогеологические условия. Наиболее благоприятны для выщелачивания такие условия, когда водоносный горизонт полностью или частично ограничен в плане водоупорными породами. Разбавления или утечки раствора весьма трудно избежать в том случае, если водоносный горизонт имеет гидравлическую связь с поверхностными водами. Аналогичное влияние на условия выщелачивания оказывает граница с водоносным горизонтом гораздо большей водообильности, чем тот, к которому приурочены руды.

Условия работы установки подземного выщелачивания во многом определяются также климатическими факторами. Типизация условий подземного выщелачивания, по В.П. Новик-Качану, приводится в табл. 5.

Факторы, определяющие условия предварительного разрыхления, прежде всего включают такие характеристики, как глубина залегания, мощность и форма рудных тел, механические свойства руд и вмещающих пород.

Имеется ряд предложений дробление залежей большой мощности осуществлять ядерными взрывами, при которых затраты на 1—2 порядка ниже, чем при использовании обычных ВВ. Глубина залегания определяет форму зоны разрушения: при взрыве на небольшой глубине образуется воронка, а при камуфлетном взрыве на больших глубинах — столб обрушения.

При небольших размерах рудных тел для разрыхления применяют обычные BB, причем для эффективного дробления приходится проходить специальные подземные выработки, компенсирующие увеличение объема взорванной массы. При такой технологии подготовительных работ на условия добычи оказывают влияние все те факторы, которые оказываются при обычных горных разработках.