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

Предлагаемое решение существенно  увеличит ресурсы извлекаемого алюминия, а также богатого железорудного сырья, пригодного для СГД. Это позволить реализовать задачу по комплексному использование минеральных ресурсов КМА.

 

Минеральные ресурсы КМА для скважинных способов добычи

Ресурсы богатых железных руд для СГД.

Несмотря на общее происхождение, месторождения богатых железных руд КМА существенно различаются  по морфологии рудных залежей, зависящей от структурных особенностей участков корообразования. В зонах дробления, сопровождавших разрывные нарушения, сформировались мощные (сотни метров по вертикали, для Шемраевского месторождения - до 415 метров) и протяженные (километры) залежи линейного типа. Для   относительно монолитных блоков характерны плащеобразные залежи, мощностью от метров до десятков, реже - до 100 метров, площадь которых часто достигает многих квадратных километров.

Главным минералом руд является гипергенный мартит, содержание которого достигает 70-97%. Другие минералы: гипергенные и инфильтрационные гидроокислы железа, бёмит и гиббсит, железистые хлориты (шамозит), каолинит; инфильтрационные карбонаты (кальцит, сидерит, доломит и др.) и сульфиды (пирит, марказит); остаточные магнетит, железная слюдка, кварц.

Важную роль в распределении природных и геотехнологических разновидностей руд сыграли эпигенетические преобразования. Прежде всего, гипергенные изменения выразились в карбонатизации и шамозитизации, которые наиболее интенсивно протекали в кровле залежей, достигая иногда глубин 100-150 метров. В результате большинство месторождений площадного типа представлены прочными сцементированными рудами. На месторождениях линейного типа вторичная цементация захватывает в основном верхние части залежей, образуя горизонт прочных руд, перекрывающий руды, не затронутые или слабо затронутые цементацией. В средних и нижних частях мощных залежей располагаются руды, пригодные для СГД.

Особенности процессов вторичной  цементации позволили уже на ранних этапах исследований включить в состав перспективных объектов для СГД только залежи линейного типа Белгородского рудного района КМА. К ним относятся, прежде всего, такие крупные месторождения, как Яковлевское, Гостищевское, Большетроицкое и Шемраевское [5].

Однако преобразования руд не ограничились инфильтрационной цементацией. На поздних  стадиях формирования залежей в зонах высокой проницаемости проявились процессы гидратации минералов. Происходило разложение железистых алюмосиликатов и частичное замещение мартита и магнетита гидроокислами железа. В результате на отдельных участках происходило разупрочнение руд за счет существенного снижения сил сцепления. Слабее эпигенез влиял на внутренние части относительно монолитных  блоков руд. Здесь, в основном, протекали процессы уплотнения, кристаллизации коллоидов и химического осаждения веществ с образованием относительно слабого контактового цемента, обычно представленного каолинитом или криптозернистыми шамозит-каолинитовыми агрегатами.

Анализ особенностей генезиса богатых  железных руд, изложенный выше в самом  общем виде, позволил выделить три  основных природных группы руд, существенно различающихся по физическому состоянию.

I группа - сцементированные руды. Они располагаются в зонах и горизонтах, связанных с процессами вторичной инфильтрационной цементации, и в горизонтах шамозитосодержащих остаточных руд. Цемент поровый или контактово-поровый;  пористость, как правило, менее 30%.

II группа - слабо сцементированные руды. Они залегают внутри относительно монолитных не нарушенных блоков между горизонтами шамозитсодержащих руд и зонами инфильтрационной цементации. Характеризуются слабым контактовым цементом и пористостью 30-40%.

III группа - руды субраздельнозернистые с очень слабым контактовым цементом, иногда они глиноподобные. Такие руды характерны для зон интенсивной гидратации. Они имеют очень высокую пористость (до 45-50%).

В результате исследований и опытной  добычи на Шемраевском месторождении  разработана геотехнологическая классификация  богатых железных руд (табл. 2). Определяющими  классификационными характеристиками приняты: способ обрушения, способ измельчения рудной массы и необходимость специальной рудоподготовки до начала процесса СГД  [2].

Таблица 2

Геотехнологические  типы богатых железных руд КМА

Промышленные	Самоизмельчающиеся	Самобрушающиеся (СР)	Субраздельнозернистые в зонах  гипергенного разуплотнения, с очень слабым контактовым цементом, пористость более 40%; мелко- и тонкозернистые; гидрогетит-мартитовые, реже мартитовые;  σсж до 1 МПа, сцепление (C) до 0,3 МПа. Обрушение происходит  без специальных воздействий, под влиянием гидродинамических процессов, связанных с пульпоприготовлением и откачкой пульпы.
		Принудительно сдвигаемые   (ПР)	Слабо литифицированные без наложения  вторичной минерализации; со слабым в основном контактовым шамозит-каолинитовым цементом (до3-4%), пористость более 30%; мелкозернистые; мартитовые; σсж до 5 МПа, C до 1,5 МПа. Обрушение возможно при гидромониторном и других физических воздействиях на стенки камер.
Перспективные	Предварительно разуплотняемые в массиве       (РР)		Подвергнутые умеренной гипергенной  цементации (шамозитизации, карбонатизации,); цемент контактово-поровый, пористость менее 35%; мелко - и неравномернозернистые; гидрогематит-марти-товые и железнослюдково - мартитовые; верхняя граница по прочности (ориентировочно):   σсж до 7 МПа, C до 1,7-2,0 МПа. Обрушение и измельчение возможно после предварительного разуплотнения (дезагрегации).
Не перспективные	Каменистые  (КР)		Сцементированные, цемент (карбонаты, шамозит, минералы свободного глинозема) преимущественно поровый; пористость менее 20%; сидерит-мартитовые, шамозит-мартитовые и др.; прочность  σсж выше 6  МПа, C больше 1,7 МПа. При сдвижении (обрушении) образуется устойчивый обломочный материал. Извлечение невозможно без физико-химического разуплотнения.

 

 

 

 

 

 

К промышленным типам (при современном состоянии уровня разработанности технологии) отнесены разновидности богатых железных руд (СР и ПР), которые способны дезагрегировать в процессах обрушения, продвижения к забою и пульпоприготовления (т.е. самоизмельчаться) с образованием дисперсной массы, гранулометрический состав которой близок  к зерновому составу руды. Положение таких руд в пределах залежи показаны на рис. 2. Ресурсы богат железных руд КМА перспективных и промышленных типов для СГД приведены в табл. 3.

 

        
 

                                                                    Таблица 3

 Ресурсы   геотехнологических типов богатых железных руд для СГД [3]

 

Месторождения	Ресурсы руд, млн. тонн.
	СР+ПР	РР	Итого
Яковлевское	150	125	1400
Гостищевское	350	800	1150
Висловское		200	200
Разуменское	120	450	670
Ольховатское	70	200	270
Большетроицкое	50	150	200
Шемраевское	82	200	282
Всего	822	3250	4172

 

 

Ресурсы бокситов  для  подземного выщелачивания

Бокситы образуют плащеобразные и  линейные залежи, покрывающие выходы    сланцев на палеоповерхностях докембрия. Они являются продуктами процессов латеритного выветривания. Залежи перекрыты мощной (400-700 метров) толщей осадочных пород и обводнены. Мощность залежей достигает нескольких десятков метров.

Разведано крупное Висловское месторождение; с различной степенью детальности изучены Мелихово-Шебекинское и Олимпийское месторождения, Гремячинский и другие участки. Бокситы гиббсит-бёмитового типа. Содержание в них Al₂O₃ составляет 49-52%, Fe₂O₃ – 21-24%; кремниевый модуль – 5-8. Кремнезем и железо в основном связаны с плохо растворимым шамозитом, что обеспечивает хорошую технологичность руд в процессах переработки.

Суммарные ресурсы глинозема в  разведанных и оцененных запасах  кондиционных бокситов, а также  в их забалансовых разновидностях и в аллитах, для которых может быть реализован процесс СПВ, составляет многие сотни миллионов тонн.

Вовлечение в эксплуатацию месторождений  Белгородского бокситоносного района может существенно снизить зависимость  отечественной алюминиевой промышленности от зарубежных поставщиков сырья.

 

Ресурсы глинозем-железных руд для добычи с применением  скважинных технологий.

Глинозем-железные руды – это специфическое  железоалюминиевое сырье с изменчивым содержанием металлов. Содержание железа в них изменяется и пределах 15-45%, глинозема – 10-40%. Основная масса железа заключена в мартите, алюминия – в бёмите и гиббсите. Руды образуют линейно вытянутые залежи, протяженностью до 10 километров при ширине до 450 метров. Их мощность до 25 метров.

Глинозем-железные руды широко распространены в Белгородском рудном районе КМА, сопровождая  по периферии основные залежи богатых  железных руд и бокситов на большинстве  разведанных месторождениях [6]. Общие ресурсы составляют более 3,6 миллиардов тонн. В основном они сосредоточены в крупных залежах на четырех месторождениях: Яковлевском, Висловском, Гостищевском и Ольховатском.

Всего в глинозем-железных рудах  сосредоточено не менее  600-800 млн. тонн глинозема и не менее 1500 млн. тонн высококачественного железорудного сырья, заключенного в мартите. Железорудное сырье, образующееся, как остаточный продукт после процесса СПВ глинозема, будет представлять дезинтегрированный материал, который по своим физическим характеристикам соответствует легко извлекаемому способом СГД  геотехнологическому типу СР богатых железных руд.

 

Ожидаемый эффект от внедрения скважинных технологий добычи.

 

Улучшение минерально-сырьевой базы России и снижение зависимости  страны от импорта.

Очевидно, что вовлечение в промышленное использование высококачественных богатых железных руд должно оказать существенное влияние на развитие черной металлургии страны.

Богатая железная руда, добываемая по технологии СГД, в силу природных  особенностей и специфики технологического процесса (селективность выемки, исключение разубоживания и загрязнения пустой породой), по качественному составу превосходит железорудные концентраты, производимые действующими горнорудными предприятиями России и СНГ (Fe_общ более 67%, SiO₂ менее 1,5%), и может использоваться в традиционной металлургии без обогащения. Руды преимущественно мартитовые (95% Fe₂O₃), что еще более повышает их сырьевую ценность для всех направлений переработки.

Широкомасштабные исследования технологических  свойств железной руды СГД («Механобрчермет», «Белмеханобрчермет») показали, что наиболее эффективно применение таких руд в производстве высококачественной металлизованной продукции, в том числе горячего брикетирования железа (ГБЖ). Эффективно использование руд СГД также в электротехнической (аккумуляторы, ферриты), спецметаллургической (железные порошки для порошковой металлургии), лакокрасочной (защитные покрытия и пигменты типа "сурик") отраслях промышленности. Они могут использоваться в атомной энергетике (современные технологии обращения с радиоактивными отходами на атомных электростанциях и других предприятиях, использующих радиоактивные вещества) и в других отраслях, требующих  высококачественного железорудного сырья.

Бездоменные процессы переработки, электрометаллургический  передел, прямое восстановление железа, порошковая металлургия и другие прогрессивные направления будут способствовать выходу страны на передовые технологические позиции, обеспечивая качественным металлом и изделиями внутренний рынок и успешную конкуренцию на внешнем рынке.

Естественные залежи богатых железных руд, пригодных для СГД, и железорудные продукты выщелачивания глинозем-железных руд, составляющих суммарно более 5,5 миллиардов тонн, могут обеспечить высококачественным сырьем промышленность страны и экспортные поставки  на долгую перспективу. Попутно из алюминийсодержащего сырья возможно извлечение рассеянных элементов: ванадия, галлия и скандия.

Внедрение метода подземного выщелачивания  глинозема из бокситов, аллитов и  глинозем-железных руд может коренным образом изменить ситуацию с глиноземным сырьем в России. Только в недрах Белгородского рудного района КМА во всех типах залежей содержится в свободной форме несколько миллиардов тонн глинозема. Учитывая, что в стране имеются и другие регионы, где известны месторождения бокситов в сложных горно-геологических условиях, а также месторождения некондиционного  для традиционных способов добычи и переработки алюминийсодержащего сырья, то освоение технологии СПВ способно в перспективе освободить алюминиевую промышленность от импорта.

 

 

Улучшение экологической  обстановки  в районах добычных работ.

Вопросы экологического воздействия  способа СГД были определены как  наиболее актуальные с самого начала опытных работ. Проблемы экологии и  недропользования в связи с СГД  исследовались во многих  организациях (ВИМС, ВНИИВОДГЕО, ВИОГЕМ, ВНИПИПромтехнология, НИИКМА и др.). Признано, что скважинная гидродобыча с экологических позиций благополучнее традиционных технологий. Это связано со следующим: