Новости горной промышленности

Ресурсосбережение при переработке минерального сырья

Главной целью инноваций в современных технологиях переработки минерального сырья является ресурсосбережение в широком смысле этого слова: снижение энерго-, водопотребления и увеличение полноты извлечения. Майнинг-Инфо

Ресурсосберегающие инновации в горной промышленности | Майнинг-Инфо

Оба ресурсосберегающих направления — горный передел и рудоподготовка — имеют единый базис инноваций: не добывать, не дробить и не обогащать ничего лишнего. Кроме того, чтобы снизить объем отходов, необходимо также комплексно использовать все, что извлечено из недр. Для сокращения энергозатрат и водопотребление требуется соблюдать принцип «не дробить ничего лишнего», а это значит, необходимо широко использовать сквозную предконцентрацию, суть которой – соблюдать принцип необходимости и достаточности, учитывая непрерывно меняющиеся параметры разделяемого сырья.

Инновационными следует считать только те технологии, которые способны обеспечить снижение энергозатрат и водопотребления не на единицы, а на десятки и сотни процентов. Для реализации этих задач необходим единый подход к организации добычи полезных ископаемых и рудоподготовке. Насколько сложно отказаться от традиционной парадигмы: измельчить все добытое до нескольких десятков микрон, потратив уйму энергии, а затем затратить еще больше энергии и ресурсов на обезвоживание, сушку концентрата и складирование хвостов, настолько же важно использовать все современные технологии (в том числе и информационные) для решения задач ресурсосбережения.

Основные идеи инновационных подходов в технологических процессах добычи и переработки минерального сырья состоят в следующем:
совместить геоинформационные технологии (ГИТ), построенные на базе цифровых моделей горных работ, с моделями последующей переработки сырья и получения конечных товарных продуктов (создать объединенную модель «горные работы – переработка сырья»); разработать селективные буровзрывные технологии на базе данных геолого-технологического картирования месторождения и параметров бурения скважин.

Базисом инновационных решений может стать единая математическая модель извлечения всех компонентов минерально-сырьевых ресурсов месторождения, которая включает в себя:

  • модели горно-добычных работ;
  • модели процессов переработки минерального сырья;
  • конъюнктурно-маркетинговые модели по типу бенчмаркинга с «привязкой» конечного товарного продукта к отраслям потребления.

Предполагается, что указанные модели, кроме прогнозных функций, будут использованы в оперативном управлении процессами. На стадии добычи – это планирование буровзрывных работ (изменение параметров взрывания); на стадии рудоподготовки – изменение условий дезинтеграции и разделения при изменении физико-механических и разделительных характеристик сырья.

Появление высокоэффективных инструментальных средств и методов исследования свойств, структуры и состава руд, высокопроизводительной вычислительной техники открывает большие возможности для создания комплексных цифровых моделей, описывающих процессы добычи и переработки минерального сырья на основе суммарной энергоэффективности всего цикла. Для создания сквозных моделей требуется иная информационная база исходных и мониторинговых данных.

Например, для ведения горных работ такими данными являются показатели геолого-технологического картирования, сопряженные с моделью связи физических и минералогических характеристик с параметрами буримости, взрываемости и параметрами взрыва. Для рудоподготовки – это набор параметров, характеризующих структурный элемент раскрытия и структурный элемент разделения на каждой стадии переработки.

Для моделирования геотехнологических процессов используются различные программно-технические комплексы: MINEFRAME, Geomix, Blast Maker, Micromine и др.

Основная проблема применения этих систем для экономико-математического моделирования заключается в значительной вариации структурных и минералогических характеристик сырьевых комплексов месторождения, которые не поддается описанию в рамках простых аналитических функций, поэтому в таких системах применяется аппарат математической статистики и вероятностные модели.

Тем не менее, подобные информационные технологии дают возможность построения моделей геометризации и оконтуривания месторождения, позволяют выделять зоны (блоки) с наименьшей дисперсией геолого-минералогических параметров добываемого сырья и зоны с высоким контрастом свойств /1/. Характерно, что программно-технический комплекс Blast Maker позволяет использовать в качестве исходной информации данные, полученные непосредственно с бурового станка, для оптимизации ведения буровзрывных работ в режиме реального времени и в режиме накопления данных. Таким образом появляется возможность картирования месторождения не только в ходе разведочного, но и технологического бурения, своего рода динамический мониторинг свойств горных пород по показателю буримости и взрываемости. Учитывая, что данный параметр напрямую связан с энергоемкостью бурения /2, 3/ и с технологическими параметрами рудоподготовки /4/, подобный программный комплекс может быть легко увязан с цифровыми моделями последующих переделов переработки сырья, используя их, например, как функциональные модули расширения при построении геолого-технологической модели отработки месторождения в целом. Таким образом, инновации в горном переделе посредством новых технологий могут охватить оба направления: комплексное освоение недр и рудоподготовку.

Современное понимание комплексного освоения недр предполагает рассмотрение его с двух позиций – экономической и технологической. Экономический аспект опирается на принцип «не добывать ничего лишнего» и, по сути, отражает комплексную переработку минерального сырья, направленную на минимизацию объемов техногенных новообразований (отходов, отвалов, хвостов и т. п.) при максимуме извлечения нескольких товарных продуктов. Определяющей моделью этого принципа является экономическая модель, опирающаяся на фундаментальную стоимость месторождения, выполненную с учетом возможностей современных технологий переработки, прогноза цен, потребности в сырье, экологических затрат и другие факторов.

Исследования энергоемкости бурения показали, что данная характеристика является интегральным показателем крепости и напрямую соотносится с принятыми классификациями пород по категориям буримости /2, 5/. Для расширения области применения существующих информационных систем, необходимо встроить в них модели, описывающие связь между категориями буримости, энергоемкостью бурения и технологическими показателями последующих переделов рудоподготовки (измельчения и обогащения). Как показали результаты исследований связи обогатительных характеристик руд с показателями буримости- взрываемости горных пород /4/, рудоподготовку целесообразно начинать с начальных стадий механического воздействия, т. е. со стадий подготовки взрывной отбойки, включая и само взрывное воздействие. По разным оценкам энергозатраты на взрывное дробление составляют 1,5-3 % всех затрат на рудоподготовку, остальные 98,5-97 % – затраты на дробление и измельчения в процессах обогащения.

См. также Новый тип буровой системы заменит взрывные работы

Снижение энергозатрат на процессы последующей дезинтеграции руд при увеличении расхода взрывчатых веществ (ВВ) не вызывает сомнения /6/, вопрос лишь в экономическом обосновании целесообразности таких решений, поскольку энергозатраты на дробление и без того имеют самые низкие значения (на уровнях, близких к теоретическому значению). Отследить и однозначно подтвердить значимость влияния расхода ВВ на более энергоемкие процессы измельчения достаточно сложно, так как в большинстве своем эти изменения обусловлены увеличением содержания мелких классов в продуктах взрывной отбойки.

Поскольку стоимость химической энергии (ВВ) в шесть раз выше стоимости электрической энергии /7/, а для некоторых типов руд удельные энергозатраты на буровзрывные работы соизмеримы с энергозатратами на дробление, вопрос относительно роли ВВ в повышении эффективности дезинтеграции не столь очевиден, тем более, что энергозатраты на измельчение зависят от целого ряда технологических факторов и от выбора устройства для измельчения.

В этой связи логично перенести вопросы оптимизации энергоэффективности буровзрывных работ в плоскость поиска новых технологий повышения эффективности передачи энергии ВВ разрушаемому массиву. Например, идея избирательного взрывания основывается на том, что неоднородность горных пород в силу переменного состава минерального сырья, обладает различным акустическим импедансом.

Если представить иерархию структур неоднородности в виде размерного ряда: d1, d2,…dj, то, в соответствии с волновой теорией процессов, можно добиться в массиве появления упругих волн различной длины λ1, λ2….λj соизмеримых с размерами структурной неоднородности. В широком амплитудно-частотном спектре ударной волны (упругих волн) всегда найдутся частоты, совпадающие с частотой собственных колебаний элементов неоднородности, неизбежно присутствующих в большом размерном ряде структур разрушаемого блока. Тем самым могут быть созданы предпосылки для резонансного поглощения энергии упругих волн структурными элементами неоднородности горного массива с разным акустическим импедансом и возможности для их селективного разупрочнения. Предполагается, что избирательные технологии взрывания позволят получить горную массу не в виде фрагментов с хаотичным распределением структур, а куски, разрушенные по текстурной неоднородности, с селективным набором разделительных характеристик /8/.

Современные геотехнологии располагают большим арсеналом средств для регулирования взрывного воздействия: изменение конструкции заряда (гирляндовые, шланговые и сплошные), применение комбинированных зарядов с изменяющимися энергетическими свойствами по длине скважины, вариация массы заряда, варьирование сетки скважин, изменение интервала замедления, порядка иниции- рования контурных зарядов и др. Возможность появления волновых эффектов на неоднородностях структуры горного массива теоретически показана в работах
/9, 10/, где приведены расчеты собственных колебаний разрушаемого блока.

Адаптация теории для структурных элементов неоднородности иных размером (отличных от размеров блока) не составляет вычислительных трудностей, вопрос лишь в размере дискретизации. Тесная связь показателей геологической и физической неоднородности массива горных пород месторождения открывает возможности для адекватного совмещения моделей геоинформационных систем и технологических моделей рудоподготовки, например, через параметры энергоемкости бурения. В качестве примера приведем одно из корреляционных уравнений связи энергетического параметра W (энергоемкость бурения 1 м скважины диаметром 250 мм) с минералогическими характеристиками буровых шламов, полученных при добыче титаномагнетитовых руд.

W = 0,13+0,03 γам +0,3 dм +0,08 γпл,

где γпл, γам – содержание плагиоклаза и амфибола,
dм – средний размер зерен титаномагнетита.

Основная проблема рудоподготовки — высокий уровень затрат ресурсов. Главным образом воды и электроэнергии. В измененной схеме рудоподготовки предлагается модифицировать принцип декомпозиции, который основан на том, что энергозатраты на сепарацию на порядок ниже затрат на раскрытие (достигаемое интенсивным измельчением). Следуя принципу «не дробить ничего лишнего», целесообразней увеличить стадии разделения-дезинтеграции в процесс рудоподготовки, чем неоправданно тратить энергию на перевод в пыль ценных компонентов. Такой подход позволяет использовать гибкую и управляемую многопо- точную схему переработки сырья, способную адекватно учитывать изменения свойств обогащаемого сырья на всех этапах его переработки. На каждой стадии режимы технологической связки «селективное разрушение – сепарация» должны быть самосогласованны с меняющимися текстурно-структурными параметрами, прочностными свойствами разрушаемых частиц. Принцип «не обогащать ничего лишнего», по сути, отражает традиционную технологию стадиального обогаще- ния, однако в современной трактовке ее необходимо дополнить методами избирательной рудоподготовки на всех этапах переработки, включая и добычу. Основу модификации составляют представления о структурных элементах разделения и раскрытия, которые формируются из горной массы в продуктовые потоки, начиная с первой стадии предконцентрации (с использованием радиометрических, магнитных и иных методов сухой сепарации). После каждой стадии разрушения образуются новые структурные элементы разделения, из которых формируются новые потоки для последующей дезинтеграции. Данная технологическая последовательность формирования структурных элементов раскрытия и разделения (в связке «дезинтеграция-сепарация») осуществляется вплоть до получения конечных продуктов из исходного минерального сырья.

Несмотря на то, что из-за уменьшения кратности разрушения, придется увеличивать число стадий «селективное разрушение – сепарация», данный подход позволит применять сухие методы обогащения вплоть до размеров, при которых физические методы разделения (гравитационные, магнитные, электрические т. п.) еще способны обеспечивать концентрирование извлекаемых элементов. Такой подход – единственная возможность сохранить главный минеральный ресурс – воду и снизить энергозатраты на последующее обезвоживание продуктов мокрого обогащения.

Предел дезинтеграции сухими методами определяется экономической целесообразностью применения механического разрушения для структурных элементов раскрытия со сложной структурой срастания разделяемых минералов. К ним относятся различного рода эвтектические структуры с микронными размерами выделяемых минералов или аналогичные им по строению (так называемые труднообогатимые руды). В тех случаях, когда недостаток контраста физических свойств разделяемых минералов становится ограничителем для использования сухих методов сепарации (гравитационных, магнитных, электрических и др.) целесообразно применять методы модификации свойств или использовать физико- химические, мокрые методы сепарации. Следует сразу оговориться, что модификация свойств по величине энергозатрат может быть существенно выше энергозатрат на раскрытие, поэтому основное слово за экономической целесообразностью, которая определяется, по сути, ценой извлекаемого металла. К методам модифкации свойств можно отнести, например, мало изученные (универсальные с точки зрения материалов) плазмо-химические технологии для направленного изменения поверхности или химические методы как самостоятельные технологии извлечения.
Среди механических методов разделения новый этап развития должны пройти и методы радиометрической сепарации (включающие весь спектр и диапазон средств возбуждения и анализа отклика: рентгенорадиометрические, фотометрические, рентгенолюминесцентные, гамма-радиометрические и т. п.), главным образом, в части снижения нижнего предела крупности разделяемых веществ и производительности. Сочетание радиометрических методов и методов вибрационного взвешивания частиц в пространстве позволило бы подойти к решению задачи снижения крупности разделения данными методами.

Вибромеханические и волновые технологии являются еще одним направлением инноваций, которые должны занять свое место не только в части разделения минерального сырья, но и в области активации технологических процессов и процессов дезинтеграции. Огромная научная база для разработки таких технологий и устройств создана трудами академика И. И Блехмана и его коллег, а имеющиеся научные заделы в этих направлениях свидетельствуют о плодотворности данного направления.

Выше уже отмечалось, что с точки зрения ресурсосбережения, наиболее оптимальным является применение сухих методов сепарации для всех стадий дезинтеграции. Мокрые методы (например, флотация) целесообразно включать в схему только при невозможности сухих методов обеспечить разделение в силу недостаточного контраста физических свойств. Однако, учитывая высокий уровень предконцентрации на стадиях сухой сепарации и многопоточные схемы, массовую долю переработки в мокрых переделах можно свести к минимуму и снизить объемы водопотребления.

Автор: Хопунов Э. А., Консультационно-аналитический Центр «Российский стандарт», г. Екатеринбург

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Петин А. Н., Васильев П. В. Геоинформатика в рациональном недропользовании. Белгород: Изд-во БелГУ, 2011. 268 с.
2. Тангаев И. А. Энергоемкость процессов добычи и переработки полезных ископаемых, М.: Недра, 1986. 232 с.
3. Жариков С. Н. Зависимость энергоемкости взрывания горных пород от энергоемкости их бурения// Горный журнал, 2009. № 6. С. 60-62.
4. Хопунов Э. А. Теория и практика избирательной переработки минерального и техногенного сырья. М.: Нобель Пресс .Lennex Corp, 2014. 343 с. ISBN: 978-5-519-02669-7
5. Рыковский В. В., Батуев М. А., Худов С. В., Дубских А. В. Буримость и взрываемость пироксенитов Гусевогорского месторождения // Горный журнал, 1991. № 1. С.59.
6. Демидюк Г. П., Викторов С. Д., Фугзан М. М. Влияние взрывного нагружения на эффективность последующих этапов обогащения // Сб. Взрывное дело №89/46 «Совершенствование буровзрывных работ в народном хозяйстве». М., Недра, 1986, С. 116-120.
7. Симаков Д. Б. Обоснование рациональной степени дробления в технологических процессах на карьерах: автореф. дис.канд. техн. наук. Магнитогорск, 2007. 17 с.
8. Хопунов Э. А Инновационные технологии в процессах переработки минерального сырья. Saarbrücken Germany: Palmarium Academic Publishing, 2015.106 с. ISBN:978-3-659-60282-5.
9. Нагорный В. П., Денисюк И. И.,Швейкина Т. А., Лихван В. М. Определение частоты собственных колебаний разрушаемого блока горного массива // Изв. вузов. Горный журнал, 2013. № 6. С.147-150.
10.Серяков, В. М., Волченко Г. Н, Серяков А. В. Геомеханическое обоснование схем отбойки рудных блоков, учитывающих перераспределение статического поля напряжений при короткозамедлен- ном взрывании // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 2005 № 1. С. 46-52

Материалы по теме:

Материалы по теме:

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *