Способ обогащения водного продуктивного раствора в период зимнего сезона и автоматическое устройство для его реализации

Изобретение относится к области горного дела, к геотехнологическим способам добычи твердых полезных ископаемых, в частности, методом подземного выщелачивания (ПВ), с последующим обогащением получаемого водного продуктивного раствора и его гидрометаллургических переделом. С позиций физико-химической геотехнологии ПВ может применяться при освоении: месторождений в сильно обводненных и неустойчивых осадочных породах; руд зон окисления сульфидных месторождений; забалансовых участков; глубокозалегающих залежей с бедной рудой; отвалов хвостохранилищ (Порцевский А.К., Катков Г.А. Геотехнология (физико-химическая). - М.: МГОУ. - 2004. - С. 20).

Предлагаемое техническое решение целесообразно применять для освоения глубокозалегающего обводненного железорудного месторождения в болотистой местности в условиях неразвитой транспортно-энергетической инфраструктуры и континентального климата, находящегося, например, в составе Западно-Сибирского железорудного бассейна.

Принципиальная возможность такого применения показана в таких источниках информации, как Вогман Д.А. Железорудная база и геотехнологические методы добычи / Тез. докл. 11-й Всесоюзн. конф, по геотехнологическим методам добычи. - М., 1976. - С. 39-42; А.с. СССР SV 1218082. Способ подземного выщелачивания железорудных руд / Авт.: В.П. Небера, И.Г. Абдульманов, К.И. Мусейнов. - Опубл. 15.03.1986; Вогман Д.А., Иванов С.В., Коробков Ю.И. Подземное выщелачивание железа из недр./ Семинар №19 МГГУ «Перспективы развития физико-химических способов добычи полезных ископаемых» http://science.msmu.ru.

Известен способ - аналог по патенту RU 2594912 освоения глубокозалегающего обводненного месторождения бурожелезняковых оолитовых руд посредством подземного выщелачивания полезных компонентов руд путем разбуривания геотехнологическими скважинами добычного участка по сетке, образуемой перемежающимися параллельными рядами закачных и выданных скважин, пробуренных вкрест направления течения обводняющего пласт полезного ископаемого напорного потока, подготовки геотехнологических скважин к добыче

полезного ископаемого, закачки выщелачивающего агента через закачные скважины в пласт полезного ископаемого, растворения полезных компонентов руд с образованием продуктивного раствора, выдачи на дневную поверхность получаемого продуктивного раствора через выдачные скважины, при этом подготовку закачных скважин к добыче полезного ископаемого в наземной части скважинного оборудования осуществляют путем присоединения к устью каждой скважины емкости с выщелачивающим агентом, которая оснащена запорно-регулирующей арматурой, включающей вентильный клапан, работающий на впуск жидкого выщелачивающего агента через скважину в пласт полезного ископаемого, подготовку выданных скважин к добыче полезного ископаемого в наземной части скважинного оборудования осуществляют путем присоединения к устью каждой скважины порожней сборной емкости, которая оснащена запорно-регулирующей арматурой, включающий вентильный клапан, работающий на выпуск продуктивного раствора из пласта полезного ископаемого через скважину в сборную емкость, а для подачи жидкого выщелачивающего агента в пласт полезного ископаемого и выдачи продуктивного раствора на дневную поверхность используют регулярное суточное действие приливной волны земной поверхности над месторождением путем включения вентильного клапана выданной скважины в период земного отлива.

К недостатку аналога можно отнести отсутствие обогащения водного продуктивного раствора непосредственно на добычном участке.

В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) следует указать источник информации RU 2600229 С2, 20.10.2016, Е21В 43/28, 24С; из которого известен способ обогащения водного продуктивного раствора в период зимнего сезона, включающий сбор водного продуктивного раствора в устьевом резервуаре эксплуатационной скважины добычного участка подземного выщелачивания полезных компонентов руд выщелачивающим агентом на основе болотной воды из перекрывающих месторождений руды торфяных отложений, подачу по трубопроводу водного продуктивного раствора после извлечения, при необходимости, самого ценного полезного компонента руды, в открытый бассейн на дневной поверхности земли вблизи от устья эксплуатационной скважины, стратификацию путем отстоя жидкости в бассейне на водную фракцию у зеркала бассейна и фракцию коллективного концентрата полезных компонентов руды у дна бассейна, удаления воды с поверхности зеркала бассейна путем

намораживания льда и последующего его извлечения из бассейна, выдачу по трубопроводу коллективного концентрата на хранение.

Недостатком прототипа является отсутствие обогащения водного продуктивного раствора на добычном участке с приемлемой интенсивностью и затрудненность работы в зимних условиях.

Поставлена задача - предложить способ ускоренного обогащения водного продуктивного раствора в условиях зимнего сезона.

Существо нового технического решения целесообразно рассмотреть на конкретном примере, типичном для возможного применения предлагаемого изобретения. В качестве объекта применения технического новшества может быть использовано Бакчарское железорудное месторождение (БЖРМ) в Томской области Сибирского Федерального Округа Российской Федерации.

Представим краткое описание характеристики климатических условий в зоне БЖРМ, которые используются в предлагаемом техническом решении. Сведения заимствованы из коллективного труда томских ученых Данченко A.M., Задде Г.О., Земцов А.А., Земцов В.А., Инишева Л.И., Лукутин Б.В., Мезенцев А.В., Маслов С.Г., Назаров А.Д., Обухов С.Г., Севостьянов В.В., Севостьянова Л.М., Слуцкий В.И. Кадастр возможностей / Под ред. Б.В. Лукутина. - Томск: Изд-во НТЛ, 2002. - 280 с.

В состав характеристики климатических условий, влияющих на интенсивность протекания процесса удаления воды с поверхности бассейна-отстойника, включены: радиационный режим; атмосферная циркуляция; температура воздуха; ветровой режим и осадки.

В пределах контура БЖРМ (охватываемая площадь - 560 кв. м.) в период зимнего сезона реализуются следующие климатические условия.

Радиационный режим. Приход солнечной радиации определяется продолжительностью дня и высотой Солнца. Среднее солнечное время восхода и захода Солнца и продолжительность дня (ч, мин) на 15-е число месяца: ноябрь - 7,45/15,43/7,58; декабрь - 8,40/15,10/6,30; январь - 8,35/15,43/7,08; февраль - 7,35/16,53/9,18; март - 6,18/18,00/11,42. Высота Солнца (градусы) в истинный полдень на 15-е число месяца: ноябрь - 13,6; декабрь - 8,7; январь - 10,8;

февраль - 18,9; март - 29,8. Приход солнечной радиации зимой составляет до 0,15 МВт × ч/м².

Атмосферная циркуляция. Основной воздушной массой, формирующей климат, является континентальный арктический холодный и сухой воздух. Азиатские антициклоны также очень устойчивы и создают сильные морозы, продолжающиеся более 15-ти дней подряд, которые нередко сопровождаются значительными скоростями ветра, что усиливает суровость зимы. Циклоны зимой более часты и выражены более резко, изменяя погоду в течение суток, вызывая выпадение снега на атмосферных фронтах.

Температура воздуха. Среднегодовая температура воздуха - 1,4°С, а зимняя среднемесячная (°С): за ноябрь - 11,2; за декабрь - 18,9; за январь - 20,5; за февраль - 18,4; за март - 10,7. Средняя максимальная (дневная) температура воздуха (°С) составляет: в ноябре - 7,6; в декабре - 14,8; в январе - 16,4; в феврале - 13,3; в марте - 4,8. Средняя минимальная (ночная) температура воздуха (°С) составляет: в ноябре - 15,2; в декабре - 23,7; в январе - 25,1; в феврале - 23,8; в марте - 16,4. Даты наступления отрицательных суточных температур воздуха выше и ниже определенных пределов и число дней с температурой, превышающих ее пределы: для предела - 5°С - 1.04/28.10/209; для предела - 10°С - 17.03/9.11/236; для предела - 15°С - 2.03/22.11/264; для предела - 20°С - 31.01/21.12/323.

Ветровой режим. В зимний период до 58% ветров дует с юга и юго-запада, значительно реже бывают ветры северные и восточные (5-11%). Повторяемость (%) направлений ветра и штилей в центральный месяц зимы январь: С - 3; СВ - 8; В - 5; ЮВ - 10; Ю - 29; ЮЗ - 28; З-10; СЗ - 7; штиль - 21.

Среднемесячная скорость ветра (м/с) составляет: в ноябре - 4,1; в декабре - 3,6; в январе - 3,4; в феврале - 3,5; в марте - 3,8. Среднее число дней с сильным ветром (более 15 м/с): в ноябре - 1,4; в декабре - 1,6; в январе - 0,9; в феврале - 0,9; в марте - 2,4. Удельная мощность ветра зимой составляет 146 Вт/м².

Осадки. На территории БЖРМ выпадает в среднем за год более 500 мм осадков, на зимний период приходится до 25% среднегодового объема осадков. Толщина снежного покрова варьируется от 60 до 150 см. Ледостав обычно происходит в ноябре, а ледоход - в апреле.

Принимая к сведению приведенную выше характеристику климатических условий в контуре БЖРМ необходимо отметить, что в период зимнего сезона (пять месяцев в году) складывается благоприятная обстановка для организации процесса обогащения водного продуктивного раствора путем удаления воды намораживанием льда. В самом деле, при таких среднезимних показателях, как температура воздуха около -16°С; скорость ветра 3,6 м/с; удельная мощность ветра 146 Вт/м², ледостав в водоемах осуществляется за 2-3-е суток - на поверхности водоема образуется слой льда толщиной до 10 см. Предлагаемый в прототипе способ обогащения путем статического намораживания пласта льда на поверхности бассейна во вмещающую лед опалубку обладает естественным темпом заморозки ~ 3 см/сут. и существенным недостатком - необходимостью вырубки/ отрезки опалубки со льдом из ледяных закраин для обеспечения возможности его удаления из бассейна. В предлагаемых обстоятельствах, поставленная задача по усовершенствованию прототипа может быть решена путем использования новых технических решений в виде способа и реализующего его устройства, ускоряющих ход обогатительного процесса в зимних условиях работы добычного участка.

1. Способ обогащения водного продуктивного раствора в период зимнего сезона, включающий сбор водного продуктивного раствора в устьевом резервуаре эксплуатационной скважины добычного участка подземного выщелачивания полезных компонентов руд выщелачивающим агентом на основе болотной воды из перекрывающих месторождение руды торфяных отложений, подачу по трубопроводу водного продуктивного раствора после извлечения, при необходимости, самого ценного полезного компонента руды, в открытый бассейн на дневной поверхности земли вблизи от устья эксплуатационной скважины, стратификацию путем отстоя жидкости в бассейне на водную фракцию у зеркала бассейна и фракцию коллективного концентрата полезных компонентов руды у дна бассейна, удаления воды с поверхности зеркала бассейна путем намораживания льда и последующего его извлечения из бассейна, выдачу по трубопроводу коллективного концентрата на хранение, отличающийся тем, что подачу водного продуктивного раствора производят автоматически пропорционально падению уровня зеркала бассейна, удаление воды из бассейна производят автоматически посредством ускоренного намораживания пласта льда на

мелководном борту бассейна путем направленного обдува атмосферным воздухом и его непрерывного извлечения из приповерхностного водного слоя бассейна посредством захватно-протяжного механизма пласта льда с датчиком контроля толщины намораживаемого пласта льда, выдачу коллективного концентрата производят автоматически при достижении заданного уровня коллективного концентрата в объеме жидкости бассейна.

2. Автоматическое устройство для реализации способа по п. 1, содержащее открытый бассейн на дневной поверхности земли, заполненный водным продуктивным раствором, трубопровод подачи водного продуктивного раствора, снабженный запорной арматурой и трубопровод выдачи коллективного концентрата полезных компонентов руды на хранение, снабженный запорной арматурой, устройство извлечения льда с водной поверхности бассейна, отличающееся тем, что содержит ветроулавливатель, охлаждающий откос мелководного борта бассейна, захватно-протяжный механизм пластины льды с датчиком толщины, роликовый транспортер, гильотину, трубопровод подачи водного продуктивного раствора оснащен запорно-регулирующей арматурой, сервоприводом, датчиком уровня зеркала бассейна, трубопровод выдачи коллективного концентрата оснащен запорно-регулирующей арматурой, сервоприводом, датчиком уровня коллективного концентрата.

Предлагаемый способ включен в водооборотную схему (Фиг. 1) экологической геотехнологии освоения железорудного месторождения, осуществляя операции обогащения водного продуктивного раствора и/или промпродукта и утилизации воды после обогащения, возвращая ее в процесс подземного выщелачивания полезных компонентов железной руды. Новое техническое решение локально интенсифицирует естественный процесс ледообразования на открытых водоемах и ускоряет ход намораживания льда из отстоянной воды в бассейне-отстойнике с последующем удалением льда за пределы бассейна, предложенный в способе прототипе, за счет более полного использования холодовых и ветроэнергетических ресурсов, имеющихся в зоне БЖРМ в период зимнего сезона с середины ноября по середину марта.

Совокупность операций, усовершенствующих способ-прототип, реализуется в следующем виде.

Подачу по трубопроводу водного раствора и/или промпродукта в бассейн-отстойник производят автоматически в объемах, компенсирующих падение уровня зеркала бассейна из-за удаления воды в виде намороженного льда. Выдачу по трубопроводу коллективного концентрата на хранение производят автоматически в объемах, определяемых производительностью обогатительного процесса (количеством удаляемой водной фракции из объема жидкости бассейна).

Удаление воды из бассейна происходит как путем естественного намораживания льда на носитель (по прототипу), но не статическим, а динамическим способом, так и посредством искусственного усиления ледообразования за счет направленного на участок ледообразования ветрового потока с увеличенной удельной мощностью и за счет дополнительного охлаждения воды промороженным бортом бассейна специальной формы.

Ускорение хода намораживания льда осуществляется путем:

- обдува участка ледообразования ветром с удельной мощностью до N=1,5 кВт/м² (при обычных для зимы параметрах в зоне БЖРМ: N=146 Вт/м^2, средняя скорость ветра Vф=3,6 м/с; плотность воздуха ρ=1.34 кг/м³;

- охлаждения слоя воды снизу промороженным до -20°С грунтом;

- перемещения намерзающего слоя льда в зону действия искусственных охлаждающих воду факторов.

Состав автоматического устройства (Фиг. 2) и порядок его работы (Фиг. 3) иллюстрируют изобретение.

На Фиг. 2 изображено: 1 - лом льда; 2 - отрубленная пластина льда; 3 - гильотина; 4 - ветроулавливатель; 5 - роликовый транспортер; 6 - захватно-протяжной механизм; 7 - охлаждающий откос; 8 - пласт льда; 9 - открытый бассейн на дневной поверхности земли, заполненный промпродуктом из устьевого резервуара эксплуатационной скважины; 10 - зеркало бассейна; 11 - трубопровод подачи промпродукта; 12 - трубопровод выдачи коллективного концентрата на хранение; 13 - датчик уровня коллективного концентрата.

Устройство технически реализует и усиливает известные в природных условиях факторы более быстрого ледообразования на отмелях водоемов и при сильном

ветре (например, по опыту устройства ледовых переправ, в том числе, через Ладожское озеро для блокадного Ленинграда).

Ветроуловитель 4, изготовленный из ветростойких и морозостойких материалов, улавливая поток воздуха и концентрируя его на намораживаемом пласте льда 8 усиливает действие мороза. Охлаждающий воду откос 7 борта бассейна 9 моделирует отмель и инициирует первоначальное ледообразование 8 на сетчатой затравке, заправляемой в захватно-протяжный механизм 6. При достижении достаточной механической прочности пласта льда 8 (например, при толщине пласта 10 см и температуре воздуха - 20°С) механизм 6 по роликовому транспортеру 5 подает пласт на гильотину 3, которая регулярно отрубает пластины льда 2, те, в свою очередь, падая в яму-накопитель превращается в лом льда, утилизируемый по назначению.

Автоматическое устройство для реализации работает следующим образом (Фиг. 3).

На Фиг. 3 изображено: 3 - гильотина; 4 - ветроулавливатель; 6 - захватно-протяжный механизм; 8 - пласт льда; 9 - открытый бассейн на дневной поверхности; 11 - трубопровод подачи промпродукта; 12 - трубопровод выдачи коллективного концентрата на хранение; 13 - датчик уровня коллективного концентрата; 14 - датчик уровня зеркала; 15 - сервопривод; 16 - запорно-регулирующая арматура.

Работа устройства организована одновременно по трем автоматическим каналам: каналу подачи промпродукта из устьевого резервуара эксплуатационной скважины; каналу выдачи коллективного концентрата на хранение; каналу возврата воды после обогащения в процесс подземного выщелачивания руды.

Канал подачи действует следующим образом. При отпускании уровня зеркала 10 бассейна 9 датчик уровня зеркала 14 вырабатывает сигнал для серопривода 15 на приведение в действие запорно-регулирующей арматуры 16, которая открывает запор на трубопроводе подачи промпродукта 11 и производит регулируемый отпуск промпродукта в бассейн 9. Когда уровень зеркала 10 поднимется до установленного положения датчик 14 вырабатывает сигнал для сервопривода 15 на запирание арматуры 16 и прекращения подачи по трубопроводу 11 промпродукта в бассейн 9.

Канал выдачи действует следующим образом. При достижении датчиком уровня коллективного концентрата 13 верхнего установленного уровня вырабатывается управляющий сигнал для сервопривода 15 на отпирание запорно-регулирующей арматуры 16 и производство регулируемой выдачи коллективного концентрата через трубопровод 12 на хранение.

После достижения датчиком 13 нижнего установленного уровня вырабатывается управляющий сигнал для сервопривода 15 на запирание запорно-регулирующей арматуры 16 и прекращение выдачи по трубопроводу 12 коллективного концентрата.

Канал возврата действует следующим образом. В условиях мороза, в поверхностном слое отстоянной в бассейне 9 воды над охлаждающим откосом 7 в зоне действия обдува ветроулавливателя 4 формируется пласт льда 8, который при достижении достаточной механической прочности захватывается механизмом 6 и непрерывно протягивается под гильотину 3, отрубающую от пласта 8 регулярно пластины 2, образующие лом льда 1, регулярно удаляемый из накопителя. Автоматическое действие механизмов 6 и 3 обеспечивает датчик контроля толщины намораживаемого пласта льда 8 (на фигурах не обозначен), который выдает исполнительным устройствам управляющие сигналы на скорость протяжки пласта 8 к гильотине 3 и время рубки.

Технический результат от использования изобретения заключается в обеспечении эффективного обогащения водного продуктивного раствора в континентальных климатических условиях сибирской зимы при создании синтетического эколого-экономического эффекта за счет весеннего рециклинга технической воды в процесс подземного выщелачивания в геотехнологии освоения железорудного месторождения.