Процесс кучного выщелачивания как саморегулирующая система «орошение-фильтрация-дренаж»

Движущийся поток раствора при кучном выщелачивании представляет собой саморегулирующую систему «орошение - фильтрация - дренаж», в которой саморегулирование проявляется через реакцию системы на возмущающие воздействия или изменение фильтрационных свойств рудной массы в штабеле.

При кучном выщелачивании основное возмущающее воздействие оказывает изменение интенсивности орошения, на которое система реагирует изменением характера движения раствора в поровом пространстве штабеля (рис. 4.1). Так, при избыточном орошении штабель полностью заполняется раствором, который находится в гидравлически связанном состоянии, создавая гидростатический напор пропорционально высоте штабеля. При последовательном уменьшении интенсивности орошения движение раствора также последовательно переходит из гидростатического режима, сначала в инфильтрационный, а затем в фильтрационный режим. Реакцией системы «орошение - фильтрация - дренаж» на такие изменения является либо осушение штабеля с уменьшением количества дренируемых растворов, либо его переполнение с растеканием растворов через боковые поверхности орошаемой части штабеля.

При увеличении высоты штабеля под действием веса рудной массы происходит уплотнение нижних слоев с изменением фильтрационных свойств,, что проявляется через уменьшение скорости фильтрации рабочего раствора. В результате движение раствора по высоте штабеля переходит с фильтрационного сначала на инфильтрационный, а затем и на гидростатический режим. При этом форма потока из сосредоточенного типа трансформируется в рассредоточенный тип с растеканием раствора через боковые поверхности орошаемой части штабеля (рис. 4.2).

В обоих случаях саморегулирование движения потока раствора в системе «орошение - фильтрация - дренаж» проявляется в виде его растекания через боковые поверхности орошаемого участка. В результате часть раствора попадает в дренажную сеть через уже обработанную рудную массу, что приводит к снижению содержания полезного компонента в продуктивном растворе и уменьшению степени использования потенциальных возможностей рабочего раствора. Поэтому для повышения эффективности использования этих возможностей следует стремиться к сбалансированному режиму орошения, при котором количество раствора, подаваемого на поверхность проектного участка, равно количеству раствора, поступающего в дренажную сеть этого участка. Показателем сбалансированности режима орошения можно считать соотношение

где Псб - показатель сбалансированности режима орошения, доли ед.; Qдр - количество раствора, поступающего в дренажную сеть орошаемого участка, м /ч; Qор - количество раствора, поступающего на поверхность орошаемого участка, м3/ч.

Таким образом, в саморегулирующей системе «орошение - фильтрация - дренаж» основными факторами, определяющими пределы регулирования, являются интенсивность орошения и скорость фильтрации рабочего раствора через рудную массу в штабеле. При этом основным ограничивающим фактором является скорость фильтрации рабочего раствора через рудную массу в штабеле, зависящая от структурных особенностей сформированного штабеля.

Рассмотрим движение раствора в многоярусном штабеле, состоящем из 8 ярусов. Для этого воспользуемся данными из источника.

Для изучения изменения проницаемости рудного штабеля при увеличении его высоты в лабораторных условиях было проведено моделирование процесса фильтрации рабочего раствора для разной высоты штабеля. Моделирование проводилось на специальной установке (рис. 4.3), состоящей из контейнера для руды и питающего цилиндра, который обеспечивает непрерывный поток раствора при постоянном давлении. Каждая проба сухой массой 8 кг на специальном миксере доводилась до влажности 6%, агломерировалась и помещалась в контейнер. Для исключения вымывания пробы в контейнер устанавливается сетка с размером ячеек < 1 мм. Проба сжималась с усилием, соответствующим действию веса пород в штабеле заданной высоты. Затем в нее подавался раствор с расходом, соответствующим предельной для данных условий плотности орошения. Далее по мерной шкале фиксировался объем убывающего раствора с интервалом в один час на протяжении 20 часов.

При расчетах коэффициента фильтрации использовались геометрические размеры контейнера для руды, усилие сжатия руды, объем прошедшего через руду раствора и др.

Проба руды подвергалась воздействию усилий, которые соответствовали воздействию столба рудной массы высотой от 1 до 80 м. Результаты экспериментов по определению влияния высоты рудного штабеля на плотность орошения и скорость фильтрации приведены на рис. 4.4.

Анализ приведенных графиков показывает, что при изменении усилия сжатия в пределах, соответствующих изменению высоты штабеля от 1 до 80 м коэффициент фильтрации уменьшается от 5,7x10в-4 до 2.1х10в-4 см/с, а предельная плотность орошения поверхности - от 5,0 до 1,8 л/м2 в 1 час соответственно. Естественно, что такие изменения указанных параметров существенно влияют на движение растворов в многоярусном штабеле и эффективность выщелачивания полезного компонента.

Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что при орошении с максимальной плотностью (24 л/м/ч) штабеля из 8 ярусов нижележащие ярусы не смогут принять весь раствор, поэтому будет иметь место деформация потока. Это связано с тем, что поток выбирает путь наименьшего сопротивления, поэтому только его часть будет поступать в нижележащие ярусы в вертикальной плоскости, а часть - растекаться в горизонтальной плоскости.

Теоретически показатель сбалансированности режима орошения может быть определен по изменению вектора скорости потока, что иллюстрируется схемой (рис.4.5).

Максимальная плотность орошения верхнего яруса, как это установлено практикой, составляет 24 л/м в 1 час. С учетом графика рис, 4.4 определена пропускная способность нижележащих ярусов, которая составила (сверху вниз):

- для 1-го яруса - 24 л/м2 в час (100 %);

- для 2-го яруса - 20 л/м в час (84 %);

- для 3-го яруса - 18,5 л/м2 в час (77 %);

- для 4-го яруса - 16,8 л/M2 в час (71 %);

- для 5-го яруса - 14,9 л/м2 в час (61 %);

- для 6-го яруса - 13,4 л/м в час (56%);

- для 7-го яруса - 11,5 л/м в час (48%);

- для 8-го яруса - 10 л/м2 в час (42 %).

Графическая иллюстрация пропускной способности ярусов штабеля высотой 80 м приведена на рис.4,6.

Анализ расчетных данных показывает, что плотность потока уменьшается сверху вниз (рис. 4.5, а) пропорционально уменьшению пропускной способности горной массы в ярусе. В результате по мере увеличения мощности обрабатываемой рудной массы часть раствора не успевает фильтроваться вертикально из-за роста сопротивления его движению. Поэтому эта часть раствора фильтруется в горизонтальной плоскости по линии наименьшего сопротивления, которая находится на границе орошаемого участка. В результате общий вектор движения потока отклоняется от вертикали (рис. 4.5,б).

Показатель сбалансированности режима орошения при подаче на поверхность штабеля из 8 ярусов максимальной (но условию фильтрации) плотности потока составит

Показатель сбалансированности режима орошения в идеальном случае будет равен единице при условии, что Qор = Qдр. Это достигается уменьшением плотности орошения поверхности штабеля, что повышает степень использования потенциальных возможностей раствора, но снижает интенсивность выщелачивания полезного компонента.

Таким образом, в саморегулирующей системе «орошение - фильтрация - дренаж» саморегулирование движущегося потока проявляется через реакцию системы на изменение фильтрационных свойств рудной массы в штабеле. Такое саморегулирование движения потока в многоярусном рудном штабеле происходит в результате изменения пропускной способности штабеля при увеличении мощности орошаемого слоя. Поэтому поток раствора неизбежно будет распределяться пропорционально коэффициенту фильтрации, что при максимальной для верхнего яруса плотности орошения приведет к растеканию раствора внутри штабеля и будет иметь как положительные, так и отрицательные последствия.