Перспективы использования физико - химических геотехнологий на месторождениях железа и алюминия в регионе КМА

Британ И.В.,  Гостюхин П.Д.

 

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ГЕОТЕХНОЛОГИЙ

НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ ЖЕЛЕЗА И АЛЮМИНИЯ В РЕГИОНЕ КМА

 

Актуальность  проблемы

Россия обладает разведанными запасами железных руд, достаточными для обеспечения  промышленности на сотни лет. Но они распределены неравномерно. Около 60%  их сосредоточено на территории КМА, в том числе более 50% - в Белгородской области, где добывается 40% всех железных руд России [6]. Здесь же сконцентрированы почти все известные в стране месторождения богатых высококачественных руд со средним содержанием железа выше 60%. Из-за сложных горно-геологических условий они не освоены. На долю месторождений этого типа приходится 12,5 % разведанных запасов России и 1,3 % производства товарных руд [12].

На КМА вовлечены в эксплуатацию крупные месторождения железистых кварцитов, имеющих содержание железа почти в два раза ниже, чем в богатых рудах. Основные объемы кварцитов извлекаются гигантскими карьерами Михайловского, Лебединского и Стойленского горно-обогатительных комбинатов. Это неизбежно влечет за собой значительные нарушения поверхности, занятие ценных, в том числе черноземных, земель отвалами и отходами обогатительных производств, нарушение режимов подземных вод и их истощение, запыление и загазованность значительных территорий при массовых взрывах, а также другие неблагоприятные экологические последствия.

Алюминиевая промышленность России в значительной части покрывает свои потребности в сырье за счет  импорта. Ожидается, что в ближайшие годы дефицит собственного сырья для обеспечения имеющихся мощностей достигнет 50-60%. Уже сейчас только на предприятия Урала поступают сотни тысяч тонн импортных бокситов. 

В то же время Белгородский рудный район КМА обладает крупными запасами бокситов (около 15% общероссийских), которые пригодны для извлечения алюминия наиболее эффективным способом Байера. Но эти месторождения, так же, как и месторождения богатых железных руд, находятся в сложных горно-геологических условиях и не эксплуатируются.

В рудном районе, кроме того, выявлены значительные ресурсы комплексных глинозем-железных руд, пригодных для получения по безотходной технологии глинозема, ферросилиция, высокосортного чугуна и высококачественного цемента (рис. 1.).

Богатые железные руды, бокситы и  глинозем-железные руды имеют общий генезис.  Это - продукты коры   выветривания, образовавшиеся на палеоповерхности докембрийских железистых кварцитов и сланцев. Их залежи нередко смыкаются в пространстве, образуя общие рудные  поля,  что создает   условия   для комплексной   разработки.   Горно-геологические   условия залегания рудных тел сложные. Все они перекрыты осадочным, содержащим несколько водоносных  горизонтов, комплексом пород фанерозоя, имеющим мощность 400-700 метров. Залежи обильно обводнены.

Поиск путей решения проблем, связанных с освоением ресурсов КМА,  позволил определить возможность использования физико-химических геотехнологий (ФХГ), в частности, скважинной гидродобычи (СГД) и скважинного подземного выщелачивания (СПВ).

 

 
 Современное состояние скважинных ФХГ

Скважинная гидродобыча  богатых железных руд проводилась в опытном режиме на Шемраевском месторождении. Работы по созданию технологии СГД были начаты в 1988 году, в соответствии с приказом Мингео СССР от 21.04.1988 г № 200. Работы выполнялись Белгородской геологоразведочной экспедицией при тесном сотрудничестве со многими научно-исследовательскими и производственными коллективами (ВИМС, МГРИ, НИИКМА, ВИОГЕМ, ГИГХС, ВНИИГИС, КазВИРГ, Механобрчермет, Центрогипроруда, ПГО "Центргеология" и др.).

В короткие сроки удалось разработать  теоретические основы способа СГД  для богатых железных руд, подготовить  опытный  полигон, сконструировать  и изготовить гидродобычные снаряды  и добыть с глубин до 800 метров из геологоразведочных скважин диаметром 132 и 152 мм первую тысячу тонн руды. Полученные данные позволили подготовить «Программу создания и освоения технологии скважинной  гидродобычи богатых железных руд КМА», которая была утверждена совместным приказом Мингео СССР и Минчермета СССР от 29.05.1989 года № 216/314.

Программа предусматривала выход  на начало опытно-промышленной эксплуатации к 1996 году с созданием промышленного  предприятия в 2000 году. Для обеспечения программы был создан Межведомственный координационный совет под председательством М.Д. Пельменева - первого заместителя Министра геологии СССР.

В 1988 – 1990 годы создается опытный  полигон,  включающий 25 методических и наблюдательных скважин, а также  две технологических (добычных) скважины. Выполняется структурное бурение  и комплекс геофизических исследований для уточнения внутреннего строения рудного массива.

К концу 1991 года удалось выйти на производительность добычной скважины до 12-20 тонн в час и до 294 тонн в  сутки. Но постепенно накапливалась  информация, свидетельствующая  о том, что внутреннее строение рудного массива сложнее, чем это представлялось ранее, а физические и технологические свойства руд – более изменчивы. Расчет на то, что основные объемы рудных массивов  составляют рыхлые разновидности, не оправдался. В то же время оставались неоцененными слабо сцементированные разновидности. Они при физических воздействиях дезагрегируют, превращаясь в мартитовый песок, но устойчивы в камерах при незначительных гидродинамических воздействиях опытной технологии, которая первоначально ориентировалась на рыхлые (самообрушающиеся) руды.

Поэтому за пределами  ресурсов для  СГД оставалась подавляющая часть  залежей, так как самообрушающиеся самоизмельчающиеся разновидности  составляют около 5%. Необходимость перехода  от пассивных способов работы с рудным массивом к активным стала очевидной, но технические средства для этого отсутствовали. Требовались дополнительные теоретические и опытно-конструкторские работы.

Политические и экономические  преобразования 90-х годов на длительный период  оставили без внимания со стороны государства и частных инвесторов зарождающуюся новую технологию. Опытно-исследовательские работы были практически свернуты. На Опытном участке производилась добыча в расчете на достижение высоких коммерческих показателей. Максимальная производительность из одной скважины достигала: часовая - 36 тонн, суточная – 441 тонну, месячная – 3560 тонн. К 1994 году, когда работы были остановлены, добыто около 40 тысяч тонн руды со средним содержанием железа 67,3%. Отрабатывались преимущественно самообрушающиеся руды.

Полученные результаты, не смотря на существенные технологические недоработки, сыграли решающую роль в признании  возможностей реализовать процесс  СГД тяжелых минералов с больших глубин. Это достижение было итогом коллективного труда многих участников реализации программы. Большой вклад в успех первого этапа внесли ученые и инженеры: В.Ж. Аренс, Г.Х. Хчеян, Д.Н. Шпак (ГИГХС); В.Л. Колибаба (ВИМС); Г.Ю. Абрамов, Н.И. Бабичев, Н.Г. Малухин, В.А Балаев (МГРИ); В.А. Болотов,  И.В. Британ, П.Д. Гостюхин, М.С. Кошкин, И.И. Романов,  А.А. Романщак, О.А. Росляков, Н.Н. Эйтенеер (БГРЭ); О.Ф. Лебедев, С.Г. Лейзерович, А.Л. Требуков (НИИКМА); С.Н. Журин, В.А. Котов (ВИОГЕМ); М.П. Семенова (НПО «Рудгеофизика»); Л.С. Прицкер (КазВИРГ); В.Г. Рафиков (ВНИИГИС), Г.С. Гусев (ВНИИгеофизика) и другие.

В 2000 году Центральный департамент природных ресурсов МПР РФ, рассмотрел предложения ОАО «Лебединский ГОК», ООО «НИИКМА – Гидроруда», ФГУП «ВИМС», ГГП «Центргеология» о необходимости продолжения и развития опытно-исследовательских работ. Было принято решение о включении опытных работ в Государственную территориальную программу геологоразведочных работ и воспроизводства МСБ на территории Белгородской области с принципиальной задачей – создание системы разработки залежей богатых железных руд КМА способом скважинной гидродобычи.

С 2004 года ООО «НИИКМА-Гидроруда» выполняет опытно-исследовательские работы по созданию промышленной технологии СГД богатых железных руд КМА на Шемраевском месторождении по договору с ОАО "Лебединский ГОК". При этом первоначальная задача проекта была расширена до разработки Технологического регламента СГД. К 2006году очередной этап исследований был завершен, технологический регламент СГД разработан, и начата подготовка исходных данных для разработки проекта опытно-промышленного предприятия СГД производительностью 450-500 тысяч тонн богатой руды в год.

Технологическим регламентом предусмотрено: продуктивность скважин 40 тыс. тонн, средняя  производительность добычной установки 25 тонн в час, содержание в добытой руде: общего железа 67,3%; SiO₂ – до 1,5%; Al₂O₃ – до 0,7%, S – 0,02%. Разработаны соответствующие конструкции добычных скважин, изготовлены и испытаны гидродобычные снаряды. Для проекта принята камерная система разработки с естественным поддержанием кровли, с последовательным (в несколько этапов) вовлечением в эксплуатацию камер-скважин. Она может быть развита в систему с закладкой выработанного пространства. Определены основные конструктивные параметры системы, обеспечивающие сохранение естественного залегания горных пород, перекрывающих руды, и защиту находящихся в них водоносных горизонтов от нарушения и загрязнения.

Разработку месторождений предлагается вести мобильными гидродобычными комплексами-модулями (ГДК), обеспечивающими  производительность добычи на уровне 450-500 тыс. тонн в год. Технологическим регламентом обоснован типовой состав ГДК, с использованием отечественного и, в основном, мобильного или передвижного технологического оборудования и легко монтируемых поверхностных инженерных коммуникаций. Разработаны схемы автоматизированного управления основными технологическим процессами СГД. Новые технические решения, а также предлагаемый способ разработки защищены патентами [13-16].

В последнее время начато изучение участков и опытные работы по СГД на Гостищевском и  Большетроицком месторождениях КМА.

 

Добыча алюминия и рассеянных  элементов методом СПВ разработана на стадии теоретических и лабораторных исследований.

В 1989 году, с целью вовлечения в  промышленное использование всех полезных продуктов древней коры выветривания КМА, выполнялись эксперименты по скважинной гидродобыче бокситов, лабораторные исследования по выщелачиванию алюминия из бокситов и аллитов, а также проектирование опытного участка СПВ.

Способ СГД бокситов без предварительного разуплотнения залежей оказался не эффективным. Исследования по определению возможности выщелачивания алюминия из бокситов, которые проводились в лаборатории  института «ВНИПИПромтехнология», дали хорошие результаты. Методом сернокислого выщелачивания бокситов, а также аллитов, характеризующихся низким содержанием алюминия и повышенным содержанием железа (табл. 1),  были получены продуктивные растворы алюминия и   сопутствующих рассеянных элементов. Подобранная рецептура рабочих растворов, исключает опасность  кольматации  пласта  в

 

Таблица 1

Средние содержания основных компонентов в  бокситах и аллитах, подвергнутых сернокислотному  выщелачиванию 

 

	Средние содержания в процентах
	Al2O3	SiO2	Fe2O3	FeO	ппп
Боксит	50,54	7,08	1,58	10,73	25,58
Аллит	35,8	21,65	1,55	22,7	13,03

 

результате образования слаборастворимых гелеобразных соединений железа и переосаждения  сернокислых соединений алюминия. По сути, был предложен способ переноса гидрометаллургического процесса   переработки алюминийсодержащего сырья непосредственно в недра, что значительно снижает общее отрицательное воздействие процесса производства алюминия на окружающую среду.

Разработанный по этим результатам  технологический регламент предусматривал: получение на опытной стадии  продуктивных растворов, содержащих не менее 10-12 г/л алюминия, 100-200 мг/л ванадия, 5-10 мг/л галлия, 1-3 мг/л скандия; осаждение алюминия в форме алюмоаммонийных квасцов; извлечение из растворов ванадия, скандия и галлия методом экстракции. Расчетный коэффициент извлечения алюминия из рабочего горизонта составлял 0,60 – 0,65.

Институтом  был составлен рабочий  проект опытного участка подземного выщелачивания на Ольховатском месторождении бокситов, в котором предусматривалась экологически безопасная технология СПВ.  Проект не был реализован, хотя такая технология не только открывала перспективы перевода из резерва в активные запасы разведанных месторождения бокситов, но одновременно создавала предпосылки для увеличения в 2-3 раза сырьевой базы алюминия за счет вовлечения в эксплуатацию аллитов и низкокачественных руд.

 

Комплексная скважинная технология добычи алюминия, железа и рассеянных  элементов из глинозем-железных руд,которые представлены, в основном, мартитом, сцементированным минералами свободного глинозема (бемитом и гиббситом) и шамозитом, предполагает последовательное применение СПВ и СГД.

Успешные опыты по выщелачиванию  алюминия, в том числе из высокожелезистых аллитов, свидетельствуют о возможности производить на первом этапе выщелачивание из руд глиноземистого цемента. На втором этапе, железорудная часть залежи, превращенная в дезинтегрированный материал, состоящий в основном из мартита, может быть извлечена способом СГД.