СПОСОБ КУЧНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ И ШТАБЕЛЬ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК E21B43/28 

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к кучному выщелачиванию полезных ископаемых преимущественно при разработке хвостохранилищ.

Известен способ кучного выщелачивания полезных ископаемых, включающий размещение штабеля рудной массы на подготовленную площадку с системой подачи и сбора раствора, подачу выщелачивающего раствора до насыщения им рудной массы, интенсификацию выщелачивания встряхиванием рудной массы посредством взрывчатки или пневмобаллонов и сбор продуктивного раствора (А.Е.Воробьев, Г.В.Чекушина. Классификация штабелей кучного выщелачивания металлов //Горный журнал, 1997, N 3, с. 36-42).

Причиной, препятствующей получению указанного технического результата при использовании известного способа кучного выщелачивания полезных ископаемых, является то, что встряхивание (сотрясение) рудной массы осуществляют при околонулевых или положительных напряжениях в растворе, фильтрующем по порам рудной массы, что не создает благоприятных физических условий для интенсификации выщелачивания при встряхивании. Действительно, возбудить в таком растворе акустическую кавитацию, необходимую для интенсивного выщелачивания, возможно только при очень сильном сотрясении рудной массы, что является затруднительным, сложным в осуществлении и создает в рудной массе существенную неравномерность плотности, а следовательно, и проницаемости. Дополнительно, разовое встряхивание рудной массы, например взрывами, недостаточно увеличивает интенсивность процесса выщелачивания, повторение же взрывного встряхивания сложно и связано со значительными затратами, а пневматическое встряхивание слабо влияет на интенсивность процесса выщелачивания и на полноту извлечения полезного компонента.

Там же известен штабель кучного выщелачивания, включающий тело из рудной массы, нижняя часть которого размещена в гидроизолированной емкости, дно которой выполнено с уклоном и покрыто дренажным слоем, гидравлически сообщенным с зумпфом продуктивного раствора, насос, обеспечивающий поддержание в зумпфе уровня продуктивного раствора ниже уровня дренажного слоя, систему подачи выщелачивающего раствора в верхнюю часть тела штабеля и размещенные в теле штабеля энерговыделяющие узлы для осуществления встряхивания рудной массы.

Причиной, препятствующей получению указанного ниже технического результата при использовании известного штабеля кучного выщелачивания, является то, что в таком штабеле не представляется возможным простыми техническими средствами создать в фильтрующем растворе напряженное состояние (состояние растяжения), благоприятное для возбуждения в нем интенсивной акустической кавитации, интенсифицирующей выщелачивание.

Задачей, на решение которой направлены заявляемые способ кучного выщелачивания и штабель для его осуществления, является повышение эффективности выщелачивания полезного ископаемого. Единым же техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемой группы изобретений, является создание в фильтрующем по порам рудной массы растворе напряженного состояния, позволяющего посредством менее интенсивного, но периодически повторяющегося встряхивания рудной массы возбуждать в насыщающем рудную массу выщелачиванием растворе весьма интенсивную акустическую кавитацию и интенсифицировать посредством этой кавитации процесс выщелачивания.

Указанная задача решается, а технический результат достигается прежде всего тем, что в известном способе кучного выщелачивания полезных ископаемых, включающем размещение штабеля рудной масса на подготовленную площадку с системой подачи и сбора раствора, подачу выщелачивающего раствора до насыщения им рудной массы, интенсификацию выщелачивания встряхиванием рудной массы и сбор продуктивного раствора, согласно изобретению по меньшей мере на период встряхивания внутреннюю проточную часть системы сбора продуктивного раствора изолируют от атмосферного воздуха и создают в ней давление ниже атмосферного, обеспечивающего в фильтрующем через рудную массу растворе состояние растяжения. Встряхивание производят посредством электроразрядного устройства, производящего в насыщенной раствором рудной массе электрические разряды.

Именно создание в растворе состояния растяжения позволяет интенсифицировать акустическую кавитацию в растворе относительно слабым встряхиванием рудной массы, а следовательно, и интенсифицировать процесс выщелачивания. Осуществление же встряхивания посредством электроразрядного устройства позволяет производить встряхивание многократно и без существенных дополнительных затрат.

Указанный технический результат достигается также тем, что в известном штабеле кучного выщелачивания, включающем тело из рудной массы, нижняя часть которого размещена в гидроизолированной емкости, дно которой выполнено с уклоном и покрыто дренажным слоем, гидравлически сообщенным с зумпфом продуктивного раствора, насос, обеспечивающий поддержание в зумпфе уровня продуктивного раствора ниже уровня дренажного слоя, систему подачи выщелачивающего раствора в верхнюю часть тела штабеля и размещенные в теле штабеля энерговыделяющие узлы, осуществляющие встряхивание рудной массы, согласно изобретению гидравлическое сообщение дренажного слоя с зумпфом продуктивного раствора выполнено в виде отводящей трубы, сливной конец которой размещен в зумпфе, снабжен коленчатым гидрозатвором и механическим запорным устройством, причем сливное отверстие отводящей трубы размещено ниже уровня дренажного слоя на величину, обеспечивающую в фильтрующем через рудную массу растворе состояние растяжения заданной величины. Дренажный слой выполнен с возможностью сообщения с атмосферой посредством дополнительной трубы, нижний конец которой размещен в наиболее высокой части дренажного слоя, а верхний конец выведен за пределы емкости и снабжен запорным устройством, а колено гидрозатвора присоединено к отводящей трубе шарнирно и с возможностью изменения высотного положения сливного отверстия. Энерговыделяющие узлы выполнены в виде электродных пар, причем положительный электрод каждой пары снабжен токопроводом с возможностью его присоединения к импульсному источнику электрического тока - (электроразрядной установке), а отрицательный электрод выполнен с развитой заземляющей поверхностью, при этом отрицательные электроды двух или более электродных пар электрически соединены между собой.

Именно снабжение сливного конца отводящей трубы системы сбора раствора коленчатым гидрозатвором и размещение сливного отверстия отводящей трубы ниже уровня дренажного слоя на заданную величину позволяет простыми и низкозатратными средствами создать в фильтрующем через рудную массу растворе состояние равномерного и всестороннего растяжения, интенсивность которого может превышать (иногда многократно) атмосферное давление без разрыва раствора. Это создает благоприятные физические условия для возбуждения в растворе акустической кавитации относительно слабым встряхиванием рудной массы, а следовательно, и интенсифицировать процесс выщелачивания. Выполнение же энерговыделяющих узлов, осуществляющих встряхивание рудной массы, в виде электродных пар, присоединенных к импульсному источнику электрического тока (электроразрядной установке), позволяет еще более интенсифицировать процесс выщелачивания.

На фиг. 1 изображена площадка с размещенным на ней штабелем кучного выщелачивания, поперечный разрез; на фиг. 2 - узел на фиг. 1, энерговыделяющий узел встряхивания рудной массы.

Штабель 1 выполнен в пределах хвостовой части хвостохранилища 2 (действующего или законсервированного) и включает тело из рудной массы (хвостов) 3 высотой h₁, нижняя и средняя по высоте части которого размещены в грунтовой емкости 4, образованной ограждающими дамбами 5. Емкость 4 гидроизолирована многослойной полимерной пленкой 6, ее дно 7 выполнено с уклоном и покрыто дренажным слоем (крупнозернистый песок) 8, который посредством отводящей трубы 9 сообщен с зумпфом (раствороприемником), выполненным в виде колодца 10, а посредством дополнительной трубы 11, нижний конец которой размещен в наиболее высокой части дренажного слоя 8, а верхний конец выведен за пределы емкости 4 и снабжен механическим запорным устройством 12. В теле 3 штабеля 1 размещены энерговыделяющие узлы 13, а на поверхности 14 его верхней части - перфорированные трубы 15 системы подачи выщелачивающего раствора 16. Сливной конец отводящей трубы 9 размещен в колодце 10 и снабжен коленчатым гидрозатвором 17 и механическим запорным устройством 18. Колено гидрозатвора 17 присоединено к отводящей трубе 9 посредством шарнира 19 и с возможностью посредством канатно-блочного механизма 20 изменять высотное положение сливного отверстия 21, характеризующееся величиной h₂ - превышение уровня дренажного слоя 8 над сливным отверстием 21.

В колодце 10 размещен насос 22, который водоводом (раствороводом) 23 соединен с сорбционными колонками 24. Отводящая труба 9 в непосредственной близости от колодца 10 снабжена дополнительным гидрозатвором 25, над обращенной вверх выпуклостью колена которого размещен воздухосборник 26, снабженный запорным устройством 27.

Энерговыделяющие узлы 13 (фиг. 2) выполнены в виде электродных пар. Положительные электроды 28 каждой пары посредством токопроводов 29, заключенных в пределах тела 3 штабеля 1 в трубу 30, присоединены к импульсному источнику электрического тока (электроразрядной установке) 31, а отрицательные электроды 32 выполнены каждый с развитой посредством пластины 33 заземляющей поверхностью, при этом отрицательные электроды 32 двух или более электродных пар посредством токопроводящих стержней 34 электрически соединены между собой.

Способ осуществляют, а описанный штабель работает при этом следующим образом.

После подготовки площадки в вине гидроизолированной емкости 4 на ней в виде штабеля 1 размещают рудную массу (хвосты) 3 с системой сбора рабочего раствора, содержащей в основании штабеля дренажный слой 8 и все другие ранее указанные элементы этой системы. В теле рудной массы 3 размещают энерговыделяющие узлы 13 и посредством задействования системы подачи 15 рудную массу 3 насыщают выщелачивающим раствором 16. Одновременно с этим при открытых запорных устройствах 12 и 27 естественным путем осуществляют заполнение системы сбора (дренажный слой 8, отводящая труба 9 и дополнительная труба 11) раствором, профильтровавшим через толщу h₁ рудной массы 3. Закрытием запорных устройств 12 и 17 систему сбора раствора изолируют от атмосферного воздуха, а открытием запорного устройства 18, установленного в колодце 10 на сливном конце отводящей трубы 9, создают в системе давление ниже атмосферного и обеспечивают таким образом в фильтрующем через рудную массу растворе состояние растяжения, интенсивность которого в нижней части штабеля 1 измеряется высотой столба раствора h₂.

После всего этого осуществляют интенсификацию выщелачивания встряхиванием рудной массы.

С этой целью посредством токопроводов 29 от электроразрядной установки 31 (известной так же как электрогидравлический или плазменный) между положительным электродом 28 и отрицательным электродом (заземлителем) 32 в каждом энерговыделяющем узле 13 поочередно и с повторением через выщелачивающий раствор пропускают мощный импульс тока. В результате между электродами 28 и 32 образуется плазменный канал 35 электрического разряда, что приводит к разрыву сорбционных и периферических химических связей и даже к образованию новых соединений. Так образуются анионы OH^-, которые интенсивно переходят в перекись водорода. Последние распадаются обычно в виде микровзрывов на H₂O и O, что вызывает энергичное и практически мгновенное окисление образовавшимся активным атомарным кислородом до этого нерастворимых и труднорастворимых солей рудной массы.

Одновременно с этим высокое импульсное давление создает ударные волны, вызывающие в более существенном, в сравнении с плазменным каналом, объеме (граница 36, фиг. 1) акустическую кавитацию в насыщающем рудную массу растворе и находящемся в состоянии растяжения. Последнее создает благоприятное физическое состояние в растворе для возбуждения в нем акустической кавитации, что ведет к аналогичным, как в плазменном канале 35, физико-химическим превращениям, основные из которых следующие:
- связная вода, изначально покрывающая поверхность твердых минеральных частиц, переходит в свободную, перемешивается с раствором, а во всем растворе уменьшается вязкость;
- образуется перекись водорода H₂O₂ с последующим ее распадом на H₂O и O.

Первое превращение облегчает доступ раствора к минеральным частицам руды и временно повышает проникающую способность раствора, а второе - вызывает энергичное окисление и длительно препятствует восстановлению структуры раствора, а следовательно, и снижению его растворяющей и проникающей способности.

Соединение токопроводящим стержнем 34 двух или более заземляющих пластин 33 между собой улучшает качество заземления отрицательных электродов 32 и позволяет сократить количество пластин 33.

При коэффициенте фильтрации k состояние растяжения увеличивает скорость фильтрации u выщелачивающего раствора в рудной массе до величины т.е. в раза.

Это позволяет осуществлять выщелачивание слабопроницаемой рудной массы, например мелкозернистых хвостов, а изменение посредством канатно-блочного механизма 20 высотного положения сливного отверстия 21 отводящей трубы 9 позволяет как изменять величину растяжения в растворе (величину h₂), так и регулировать скорость фильтрации раствора.

В случае выщелачивания высокопроницаемой рудной массы скорость фильтрации раствора ограничивают путем регулирования запорным устройством 27 интенсивности слива раствора в колодец 10. Состояние же растяжения в растворе (полное открытие запорного устройства 27) создают только на период встряхивания рудной массы.

Состояние растяжения в выщелачивающем растворе (до 9 м вод. ст.) может быть осуществлено посредством вакуумного насоса, гидравлически сообщенного с системой сбора продуктивного раствора, например с ее отводящей трубой 9, а возбуждение пузырьковой акустической кавитации в растворе, находящемся в состоянии растяжения, может быть осуществлено встряхиванием рудной массы посредством иных источников импульсного давления, например вибрационной техники или тяжелой трамбующей установки (вакуумный насос, вибрационная техника и трамбующая установка на чертеже не показаны).

Использование: в горной промышленности при кучном выщелачивании полезных ископаемых преимущественно при создании хвостохранилищ. Технический результат - интенсификация процесса выщелачивания интенсивной акустической кавитацией. Способ включает размещение штабеля рудной массы на подготовленную площадку с системой подачи и сбора раствора, подачу выщелачивающего раствора до насыщения им рудной массы, интенсификацию выщелачивания встряхиванием рудной массы и сбор продуктивного раствора. По меньшей мере на период встряхивания внутреннюю проточную часть системы сбора продуктивного раствора изолируют от атмосферного воздуха и создают в ней давление ниже атмосферного, обеспечивающего в фильтрующем через рудную массу растворе состояние растяжения. Встряхивание производят посредством электроразрядного устройства, производящего в насыщенной раствором рудной массе электрические разряды. Штабель кучного выщелачивания включает тело из рудной массы, нижняя часть которого размещена в гидроизолированной емкости, дно которой выполнено с уклоном и покрыто дренажным слоем, гидравлически сообщенным с зумпфом продуктивного раствора, насос, обеспечивающий поддержание в зумпфе уровня продуктивного раствора ниже уровня дренажного слоя, систему подачи выщелачивающего раствора в верхнюю часть тела штабеля и размещенные в теле штабеля энерговыделяющие узлы, осуществляющие встряхивание рудной массы. Гидравлическое сообщение дренажного слоя с зумпфом продуктивного раствора выполнено в виде отводящей трубы, сливной конец которой размещен в зумпфе, снабжен коленчатым гидрозатвором и механическим запорным устройством. Сливное отверстие отводящей трубы размещено ниже уровня дренажного слоя на величину, обеспечивающую в фильтрующем через рудную массу растворе состояние растяжения заданной величины. Дренажный слой выполнен с возможностью сообщения с атмосферой посредством дополнительной трубы, нижний конец которой размещен в наиболее высокой части дренажного слоя, а верхний конец выведен за пределы емкости и снабжен запорным устройством. Колено гидрозатвора присоединено к отводящей трубе шарнирно и с возможностью изменения высотного положения сливного отверстия. Энерговыделяющие узлы выполнены в виде электродных пар. Положительный электрод каждой пары снабжен токопроводом с возможностью его присоединения к импульсному источнику электрического тока. Отрицательный электрод выполнен с развитой заземляющей поверхностью. Отрицательные электроды двух или более электродных пар электрически соединены между собой. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ кучного выщелачивания полезных ископаемых, включающий размещение штабеля рудной массы на подготовленную площадку с системой подачи и сбора раствора, подачу выщелачивающего раствора до насыщения им рудной массы, интенсификацию выщелачивания встряхиванием рудной массы и сбор продуктивного раствора, отличающийся тем, что по меньшей мере на период встряхивания внутреннюю проточную часть системы сбора продуктивного раствора изолируют от атмосферного воздуха и создают в ней давление ниже атмосферного, обеспечивающего в фильтрующем через рудную массу растворе состояние растяжения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что встряхивание производят посредством электроразрядного устройства, производящего в насыщенной раствором рудной массе электрические разряды. 3. Штабель кучного выщелачивания, включающий тело из рудной массы, нижняя часть которого размещена в гидроизолированной емкости, дно которой выполнено с уклоном и покрыто дренажным слоем, гидравлически сообщенным с зумпфом продуктивного раствора, насос, обеспечивающий поддержание в зумпфе уровня продуктивного раствора ниже уровня дренажного слоя, систему подачи выщелачивающего раствора в верхнюю часть тела штабеля и размещенные в теле штабеля энерговыделяющие узлы, осуществляющие встряхивание рудной массы, отличающийся тем, что гидравлическое сообщение дренажного слоя с зумпфом продуктивного раствора выполнено в виде отводящей трубы, сливной конец которой размещен в зумпфе, снабжен коленчатым гидрозатвором и механическим запорным устройством, причем сливное отверстие отводящей трубы размещено ниже уровня дренажного слоя на величину, обеспечивающую в фильтрующем через рудную массу растворе состояние растяжения заданной величины, при этом дренажный слой выполнен с возможностью сообщения с атмосферой посредством дополнительной трубы, нижний конец которой размещен в наиболее высокой части дренажного слоя, а верхний конец выведен за пределы емкости и снабжен запорным устройством. 4. Штабель по п.3, отличающийся тем, что колено гидрозатвора присоединено к отводящей трубе шарнирно и с возможностью изменения высотного положения сливного отверстия. 5. Штабель по п.3, отличающийся тем, что энерговыделяющие узлы выполнены в виде электродных пар, причем положительный электрод каждой пары снабжен токопроводом с возможностью его присоединения к импульсному источнику электрического тока, выполненному в виде электроразрядной установки, а отрицательный электрод выполнен с развитой заземляющей поверхностью, при этом отрицательные электроды двух или более электродных пар электрически соединены между собой.