СПОСОБ ПОДЗЕМНОГО И КУЧНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ МЕТАЛЛОВ Российский патент 1998 года по МПК E21B43/28 

Изобретение относится к металлургической и горной промышленности, в частности к технике кучного и подземного выщелачивания металлсодержащих отходов производства и руд, и может найти применение на металлургических и горных предприятиях цветной металлургии.

Известен способ подземного выщелачивания руд, включающий вскрытие продуктивного пласта не менее чем двумя скважинами, подачу выщелачивающего реагента в закачную скважину, откачку и транспортировку продуктивных растворов из откачной скважины, воздействие электрическим током на различные по проницаемости или рудоносности слои пласта до начала откачки продуктивных растворов.

Недостатком этого способа является незначительное увеличение скорости процесса по сравнению с выщелачиванием без наложения внешних полей, т.к. электрическое воздействие на слои продуктивного пласта осуществляется только до момента достижения заданной их проницаемости.

Известен также способ подземного или кучного выщелачивания (см. Строительство и эксплуатация рудников подземного выщелачивания. М.: Недра. 1987, с. 221-222), принятый за прототип. Этот способ включает обработку руды с раствором переменным электрическим полем с помощью электродов, установленных в скважинах, расположенных в горной массе, причем скважины могут иметь различное расположение в целях создания оптимальных конфигураций электрических полей, а электроды могут перемещаться по скважинам.

При реализации этого способа энергия внешнего электрического поля воздействует на энергию связей молекул и энергию активации ионов и молекул, вступающих в химическую реакцию. Это позволяет повысить температуру среды, скорость обменных реакций и перехода в продуктивный раствор извлекаемого металла. Интенсификация процесса происходит также за счет термомеханических явлений, проявляющихся в частичном разрушении кусков руды, образовании в них микротрещин, приуроченных к рудным минералам, что увеличивает площадь протекания реакции и скорость насыщения раствора извлекаемым металлом.

Однако при применении электрического поля переменного тока частотой 59 Гц роль электрохимических явлений (электролиз, сопровождаемый образованием свободного кислорода, электрофорез, электроосмос) в интенсификации процесса невелика, что обуславливает относительно незначительное увеличение скорости выщелачивания по сравнению с выщелачиванием без внешнего воздействия. Кроме того, одновременная подача напряжения на все расположенные в горной массе электроды связана с высокими энергозатратами, а создание оптимальной конфигурации электрических полей, обеспечивающей равномерное воздействие тока на весь объем руды и равномерное его выщелачивание, путем различного расположения скважин и перемещения по ним электродов затруднено различными обстоятельствами, например заклиниванием электродов при подвижках горной массы. Все это снижает эффективность применения переменного тока для интенсификации выщелачивания и увеличивает время отработки обрабатываемого массива.

Задачей изобретения является интенсификация выщелачивания и снижение энергозатрат при обеспечении равномерного протекания процесса во всем объеме горной массы.

Технический результат, который будет получен при использовании данного способа, заключается в сокращении времени отработки выщелачиваемого массива и снижении энергозатрат при подземном и кучном выщелачивании бедных руд и отходов производства.

Данный технический результат достигается тем, что в известном способе выщелачивания, включающем подачу выщелачивающих растворов, обработку массива руды с раствором подачей на электроды переменного тока и сбор продуктивных растворов, обработку ведут поочередной подачей импульсов инфранизкочастотного тока частотой 0,06 - 3,0 Гц, напряженностью 300 - 800 В/м рудной массы и длительностью 0,04 - 2,5 с на все группы пар электродов, между центральными парами которых находятся не менее четырех расположенных в ряд пар электродов и расстояние между центральными парами превышает высоту рудного массива, причем на последние подают импульсы тока напряжением (В), определяемым по формуле
U₁=(300-800)H,
а на четыре пары, находящиеся во взаимно перпендикулярных рядах и стоящие рядом с центральными
U₂=(300-800)(H-2L),
где
H - высота выщелачиваемого рудного массива, м;
L - расстояние между центральной и стоящими рядом с ней парами электродов в группах, м.

Использование данного способа позволит сократить время отработки и снизить энергозатраты за счет обеспечения равномерного воздействия тока на весь объем выщелачиваемого массива руды или отходов производства, а также достижение процессами и явлениями, итенсифицирующими выщелачивание, максимального уровня.

На фиг. 1-6 показано изменение во времени картины электрического поля в рудном массиве при поочередной подаче импульсов тока на группы пар электродов; на фиг. 7 - циклограмма подачи импульсов тока на электроды; на фиг. 8 - прохождение электрического тока через необрабатываемые в данный момент времени зоны рудной массы при нарушении приведенных выше условий подачи импульсов тока на группы пар электродов и возникновении "перекрытия" электродов.

На фиг. 1-6 показаны пары противоположных электродов 1-1', 2-2', 3-3',.. . , 8-8', наложенные на часть 9 выщелачиваемого рудного массива. На фиг. 1 группы пар электродов, на которые одновременно подаются импульсы тока в момент времени t, состоят из следующих пар: 1-я группа: 1-1', 2-2' и 3-3'; 2-я группа: 6-6', 7-7', 8-8'. Центральными парами в этих группах являются пары 2-2' и 7-7', соответственно, на них подаются импульсы тока напряжением U₁, определяемым по формуле (1). Пары электродов 1-1', 3-3', 6-6' и 8-8' являются смежными с центральными, на них подаются импульсы тока напряжением U₂, определяемым по формуле (2). На фиг. 2 в момент времени t₁=t + τ ( τ - длительность импульса тока) группы пар электродов состоят из следующих пар: 1-я группа: 2-2', 3-3' и 4-4'; 2-я группа: 7-7', 8-8' и пара, находящаяся за границей рассматриваемой части 9 выщелачиваемого рудного массива. Центральными парами в группах являются пары 3-3' и 8-8', соответственно, а пары 2-2', 3-3', 7-7' и пара, находящаяся за границей рассматриваемой части массива - смежными с центральными. На фиг. 3-6 представлены структуры групп для моментов времени t₂=t + 2τ ; t₃=t + 3τ ; t₄=t + 4τ; t₅=t + 5τ , соответственно.

При прохождении токов инфранизкой частоты в системе руда-раствор протекает электролиз воды с образованием свободного кислорода, происходит увеличение длительности прохождения раствора через массив, обусловленное возникновением циркуляционных течений растворов, поверхностный электролиз минералов, увеличение скорости движения ионов через диффузионный слой и их перераспределение в растворе за счет возникновения пондеромоторных сил и "медленной" электрохимической поляризации, что приводит к увеличению скорости растворения минералов и интенсификации процесса выщелачивания.

Эти явления имеют экстремальный характер и их максимум лежит в диапазоне частот переменного или реверса постоянного тока 0,06 - 3,0 Гц. При понижении частоты тока ниже указанных пределов в результате сильной поляризации происходит увеличение пондеромоторных сил и ускорение циркуляционных течений раствора. Но, несмотря на это, возникающий по той же причине на границе "руда-раствор" двойной электрический слой препятствует переходу в раствор ионов металлов из минералов и практически полностью прекращает его, что резко уменьшает скорость выщелачивания. При повышении частоты тока выше указанных пределов поляризация на границе "руда-раствор" оказывается недостаточной для создания запирающего двойного электрического слоя, а величина пондеромоторных сил и скорость циркуляционных течений снижаются и оказываются недостаточными для интенсивности перехода ионов металлов из минералов в раствор через диффузионный слой.

При обработке выщелачиваемой руды с раствором поочередной подачей на пары противоположных по расположению в массиве электродов импульсов тока инфранизкой частоты напряженностью 300 - 800 В/м рудной массы в выщелачиваемом массиве, наряду с вышеперечисленными процессами и явлениями происходит образование эффективной сети микротрещин в результате воздействия серии электрогидравлических ударов, локальных электрических и термических перенапряжений, что приводит к вскрытию новых поверхностей для выщелачивания.

Плотность сети микротрещин зависит от силы электрогидравлических ударов, величин термических и электрических перенапряжений, а все они - от величины напряжения импульсов тока. При напряжениях, меньших 300 В/м рудной массы, сила электрогидравлических ударов, термических и электрических перенапряжений оказывается недостаточной для образования эффективной сети микротрещин в кусках руды. При напряжениях выше 800 В/м рудной массы сила электрогидравлических ударов резко возрастает, что приводит при многократном пропускании импульсов тока к переизмельчению и переуплотнению рудной массы, снижению ее фильтрационной способности и уменьшению скорости выщелачивания. Такой характер описанных явлений определяет диапазон напряжений подаваемых импульсов тока 300 - 800 В/м рудной массы, в пределах которого скорость выщелачивания металлов максимальна.

При указанных напряжениях резко возрастает и величина тока, протекающего через электроды, но за счет поочередной подачи импульсов тока на отдельные пары или группы пар электродов, противоположных по расположению в рудном массиве, происходит уменьшение общего тока, протекающего через массив, что позволяет снизить энергозатраты на выщелачивание. При этом увеличение числа электродов, расположенных в массиве, способствует уменьшению энергозатрат.

Кроме того, ведение обработки выщелачиваемого массива руды с раствором поочередной подачей импульсов инфранизкочастотного тока на все группы из пяти пар электродов, между центральными парами которых находятся не менее 4-х пар электродов и расстояние между центральными парами превышает высоту рудного массива, позволяет увеличить при интенсивном токовом воздействии длительность импульсов тока до 0,04 - 2,5 с по сравнению со случаем обработки массива поочередной подачей импульсов тока на отдельные пары электродов. В результате процессы, интенсифицирующие выщелачивание, достигают максимального уровня, что приводит к ускорению процесса выщелачивания и снижению времени отработки выщелачиваемого массива.

При одновременной подаче импульсов тока на группы пар электродов, между центральными парами которых находятся менее 4-х пар электродов или расстояние меньше высоты рудного массива, возможно возникновение "перекрытия" электродов и протекание тока через необрабатываемые в данный момент времени зоны рудной массы, что приводит к снижению токового воздействия на обрабатываемые зоны, скорости выщелачивания в них и в массиве в целом.

При длительности импульсов тока, превышающей 2,5 с, двойной электрический слой на границе "руда-раствор" успевает сформироваться и практически полностью прекращает переход ионов металлов в раствор, несмотря на высокий уровень процессов, интенсифицирующих выщелачивание. Длительность же импульсов, меньшая 0,04 с, оказывается недостаточной для создания запирающего двойного слоя, но и уровень интенсифицирующих выщелачивание процессов также оказывается недостаточным для интенсивного перехода металлов в раствор. Такой характер описанных явлений определяет диапазон длительности импульсов инфранизкочастотного тока 0,04 - 2,5 с, в пределах которого уровень процессов, интенсифицирующих выщелачивание, и определяемая им скорость последнего максимальны.

Подача на центральные пары электродов в группах импульсов инфранизкочастотного тока напряжением, определяемым по формуле (1) и обеспечивающим заданную напряженность в рудной массе по высоте массива, а на четыре пары, находящиеся во взаимно перпендикулярных рядах и стоящие рядом с центральными, импульсов тока напряжением, определяемым по формуле (2) и обеспечивающим заданную напряженность в рудной массе по простиранию массива, обеспечивает протекание в рудном массиве как в продольном, так и в поперечном направлениях одинакового по величине тока, что определяет одинаковую скорость выщелачивания зон рудной массы, расположенных как между противоположными, так и между смежными по расположению в массиве электродами и, следовательно, равномерное выщелачивание всего объема рудного массива.

Пример 2. Было проведено экспериментальное выщелачивание свинцово-цинковой руды, содержащей 0,31% свинца и 0,21% цинка. Гранулометрический состав руды: -100 - +5 мм. Выщелачиванию подвергался объем руды размерами 1,4х1,4х0,4 м. В объеме руды была расположена 81 пара электродов на расстоянии 0,15 м друг от друга. Выщелачивание велось сернокислотно-хлоридным раствором, содержащим 5 г/л серной кислоты и 80 г/л хлорида натрия. Плотность орошения руды составляла 0,05 м³/м²•ч. Частота тока, подводившегося к группам пар электродов, менялась в пределах от 0,02 до 5 Гц, а длительность импульсов, подаваемых на одну группу пар электродов, менялась от 5 до 0,02 с, соответственно. Период обработки руды при каждой длительности импульсов составлял 5 сут. Напряженность электрического поля в рудной массе поддерживалась равной 500 В/м, для чего на центральные пары электродов в группах подавалось напряжение согласно формуле (1) 200 В, а на смежные с ними - согласно формуле (2) 50 В. Мощность, подводимая к системе "руда-раствор" составляла 1600 Вт, т.е. средний ток через группу из 5-ти пар электродов за время импульса составлял 2 А при общем токе через объем руды 8 А.

Для сравнения было проведено выщелачивание свинцово-цинковой руды при воздействии:
- переменного тока частотой 50 Гц;
- постоянного тока, реверсируемого с частотой 0,5 Гц, подававшегося на все электроды;
- постоянного тока, реверсируемого с частотой 0,5 Гц, подававшегося поочередно на отдельные пары электродов импульсами длительностью 0,012 Гц
При проведении экспериментов на постоянном, реверсируемом с частотой 0,5 Гц и подаваемом на все пары электродов, и переменном токах напряжение, подаваемое на электрода, составляло 60 В, а общий ток 27 А. При подаче импульсов постоянного, реверсируемого с частотой 0,5 Гц, на отдельные пары электродов величина подводимого напряжения составляла 245 В, а общий ток 6,5 А (в работе находилось одновременно 2 пары отдельных электродов). При таких параметрах токового воздействия мощность, подводимая к системе "руда-раствор", составляла около 1600 Вт.

Результаты экспериментов приведены в таблице.

Изобретение относится к металлургической и горной промышленности. Способ подземного и кучного выщелачивания металлов может быть использован для отработки выщелачиваемых массивов руд и отходов производства. Обработку массива руды с раствором ведут поочередной подачей импульсов инфранизкочастотного тока длительностью 0,04 - 2,5 с на все группы пар электродов, между центральными парами которых находятся не менее 4-х пар электродов и расстояние между ними превышает высоту рудного массива, причем на центральные пары электродов в группах подают импульсы тока напряжением, определяемым по формуле, учитывающей высоту выщелачиваемого рудного массива, а на пары, смежные с центральными по формуле, учитывающей высоту рудного массива и расстояние между центральной и смежными с ней парами электродов в группах. Способ обеспечивает интенсивное и равномерное выщелачивание во всем объеме рудного массива. 1 табл., 8 ил.

Способ подземного и кучного выщелачивания металлов, включающий подачу выщелачивающих растворов, обработку массива руды с раствором подачей на электроды переменного тока и сбор продуктивных растворов, отличающийся тем, что обработку ведут поочередной подачей импульсов инфранизкочастотного тока частотой 0,06 - 3,0 Гц, напряженностью 300 - 800 В на 1 м рудной массы и длительностью 0,04 - 2,5 с на все группы пар электродов, между центральными парами которых находятся не менее 4-х пар электродов и между ними расстояние превышает высоту рудного массива, причем на центральные пары электродов в группах подают импульсы тока напряжением, определяемым по формуле, В,
U₁ = (300 - 800)H,
а на пары, смежные с центральными
U₂ = (300 - 800)(H - 2L),
где H - высота выщелачиваемого рудного массива, м;
L - расстояние между центральной и смежными с ней парами электродов в группах, м.