Основные проектные решения, утвержденные в целях освоения Удоканского месторождения меди

И. А. Темников, технический директор ООО «Байкальская горная компания»
Игорь Александрович Темников, технический директор ООО «Байкальская горная компания»

Оператором проекта освоения Удоканского месторождения меди является ООО «БГК», входящее в многопрофильную группу компаний USM. Проект реализуется в соответствии с требованиями лицензии, выданной в 2008 году. Участок недр находится в Каларском районе Забайкальского края, является крупнейшим в России и одним из крупнейших в мире неразработанным месторождением меди.

Финансирование проекта осуществляется за счет собственных средств учредителей компании и кредитных средств.

Настоящая статья основана на материалах проектной документации, получившей положительные заключения государственных экспертиз (государственной и государственной экологической), то есть прошедшая всесторонний анализ экспертами ФГУ «Главгосэкспертиза России» и Росприроднадзора. Кроме того, проектные решения апробированы в рамках многочисленных лабораторных исследований и промышленных испытаний, защищены в Центральной комиссии по разработке месторождений твердых полезных ископаемых, а также рассматривались рядом признанных в мире консалтинговых компаний и коммерческих банков.

Горно-геологические особенности

удоканское месторождение меди

По геологическим особенностям и характеру распределения полезных компонентов Удоканское месторождение меди отнесено ко II группе сложности строения в соответствии с классификацией запасов месторождений твердых полезных ископаемых (протокол ГКЗ СССР № 4489 от 30.12.64).

Территория характеризуется резко континентальным климатом, сложным рельефом, развитой речной сетью, высокой сейсмической активностью и активной неотектоникой, сплошным распространением многолетней мерзлоты значительной мощности, сложными условиями обводненности.

Удоканское месторождение меди является стратиформным, образовано медистыми песчаниками и сланцами, включает участки с богатыми (> 2 % Cu) и бедными (<1 % Cu) рудами.

По преобладанию минеральных форм меди на Удоканском месторождении выделены три основных природных разновидности руд: халькозин-борнитовая, брошантит-малахитовая, халькопирит-пиритовая.

Руды характеризуются преимущественно средней степенью окисления, причем среди окисленных минералов преобладают трудноизвлекаемые гидроксил-сульфаты, что является уникальной особенностью Удоканского месторождения. К таким минералам, в частности, относится брошантит.

Характер минерализации по участкам месторождения свидетельствует о крайней неравномерности содержания меди и ее окисленности в толще оруденения. В результате тектонических явлений и большой сейсмичности распределение окисленных руд крайне неравномерно как по глубине, так и по простиранию рудных тел месторождения: фиксируются все технологические сорта руд, от чисто сульфидных до полностью окисленных. Постепенных переходов не отмечается, наоборот, переходы от сульфидных руд к окисленным резкие (см. табл. 1).

Анализ горно-геологических и горнотехнических условий залегания рудных тел, выход рудных тел на дневную поверхность, повышенная устойчивость руды и вмещающих пород, а также значительная глубина минерализации предопределяют применение комбинированного (открыто-подземного) способа разработки месторождения.

С учетом сложных геологических, географических условий, оценки рынка сырья ООО «БГК» был определен порядок освоения Удоканского месторождения, который предусматривает выделение I очереди разработки месторождения с объемом переработки 12 млн т руды в год.

I очередь предполагает разработку Удоканского месторождения в пределах Западного карьера — основного эксплуатационного участка, обеспечивающего до 70–80 % производительности по добыче руды.

Технологическая схема

Результаты ранее проведенных исследований

Технологические исследования по обогащению руд Удоканского месторождения были начаты в 1952 году и проводились многими научно-исследовательскими институтами. С 1952 по 1988 год, кроме геологических проб, были выполнены исследования на более чем 500 малых технологических пробах, 56 лабораторных технологических пробах массой по 1 000 кг и 12 полупромышленных пробах массой по 300–500 т каждая. Кроме лабораторных, укрупненно-лабораторных исследований проводились и полупромышленные испытания.

Исследования обогатимости проб руды Удоканского месторождения проводились ведущими научно-исследовательскими институтами: Механобр, Гинцветмет, ЦНИГРИ, Иргиредмет.

В конце 70-х годов институтом «Механобр» была выполнена комплексная программа испытаний руды Удоканского месторождения, как лабораторных испытаний в периодическом режиме, так и опытно-промышленных. Все испытания проводились с использованием флотационной технологии. В ходе исследований, выполненных Механобром, были проведены тесты на пробах, отобранных с разных участков, с различной степенью окисления минералов меди.

Однако только флотационными методами не удавалось достичь высоких результатов при обогащении смешанных и окисленных руд.

С 1980 по 1985 год в институте «Гинцветмет» проводились полупромышленные испытания по сернокислотному выщелачиванию меди из труднофлотируемых, с повышенным содержанием окисленных минералов руд Удоканского месторождения с выделением меди из растворов сорбцией или экстракцией.

В 1984 году институтом «Гинцветмет» была изучена возможность переработки медного концентрата гидрометаллургическими методами. Коллективный концентрат подвергался атмосферному выщелачиванию, после чего кек выщелачивания подвергался флотационному обогащению с получением товарного сульфидного концентрата.

Проведенные исследования подтвердили возможность применения атмосферного выщелачивания коллективных концентратов, извлечение окисленной меди из которых составляло 97–98 %.

В 1995 году компаниями «Минпрок» (Австралия), «Институт «Гипроцветмет» (Россия) и АООТ «Институт Механобр» (Россия) подготовлено технико-экономическое обоснование строительства горно-металлургического комбината на производительность 7,5 млн т/год.

В технологической схеме, принятой в ТЭО в 1995 году, было предусмотрено выщелачивание коллективного концентрата, кек выщелачивания подвергался нейтрализации, после чего из этого кека путем флотации получали сульфидный концентрат с содержанием 30 %. Из раствора выщелачивания методами жидкостной экстракции и электроэкстракции получали катодную медь.

В рамках программы испытаний, выполненной в МИСиС в 2000–2001 годах, были выполнены исследования по прямому выщелачиванию исходной руды. Технологическая схема, разработанная МИСиС, преду-сматривала дробление руды до крупности 100 % -3 мм, выщелачивание тонкодробленой руды с последующей экстракцией и электроэкстракцией (SX-EW) для получения катодной меди, нейтрализацию и доизмельчение кека с последующим получением сульфидного флотационного концентрата с содержанием меди 30 %. На основе технологического регламента МИСиС институтами «Гипроцветмет» и «Механобр» в 2001 году разработано технико-экономическое обоснование строительства горно-металлургического комбината на производительность 9,0 млн т/год. Разработанная технология была испытана в лабораторном масштабе.

В 2006 году по проекту институтов «Гипроцветмет» и АООТ «Механобр инжиниринг» была введена в эксплуатацию опытно-промышленная фабрика в п. Удокан производительностью 1,5 т/час по исходной руде, что позволило выполнить большой объем полупромышленных и лабораторных исследований. На опытно-промышленной фабрике предусматривалась возможность проведения исследований как по флотации, гидрометаллургической переработке концентратов, так и опыты по прямому выщелачиванию исходной руды, кучному выщелачиванию, гравитационному обогащению.

На ОПК были проведены испытания технологии как прямого выщелачивания исходной руды с последующей флотацией сульфидных минералов, так и технологии флотационного обогащения с последующим выщелачиванием коллективного концентрата, а также их модификаций в полупромышленном масштабе. Многочисленные попытки проведения полномасштабных испытаний по технологии прямого выщелачивания тонкодробленой руды не были успешными из-за аппаратурных проблем: нестабильная работа каскада выщелачивания руды, плохая работа узла фильтрации пульпы после выщелачивания.

С целью разработки оптимальной технологии переработки руд Удоканского месторождения ООО «БГК» был выполнен большой объем дополнительных исследований:

2009 год — исследования по определению индексов работы дробления и шарового измельчения, опыты по флотации руды с включением операции скоростной флотации, с применением различных видов собирателей и сульфидизаторов;

2010 год — опытно-промышленные испытания по селективной флотации сульфидных и окисленных минералов. В рамках испытаний наработано более 30 т сульфидного и окисленного концентратов для после-дующих исследований;

2011 год — опытно-промышленные испытания гидрометаллургических процессов переработки концентратов Удоканского месторождения;

2011 год — исследования по определению возможности предварительного крупнокускового обогащения руд Удоканского месторождения;

2011–2013 годы — программа лабораторных исследований с целью выбора оптимальной технологической схемы для последующего проектирования. В рамках программы проведены исследования по дроблению и измельчению руды, флотации, атмосферному и автоклавному выщелачиванию, сгущению и фильтрации. Выполнено технологическое картирование на 503 пробах;

2011–2013 годы — испытания по кучному выщелачиванию. В рамках испытаний переработано около 70 т руды;

2012 год — технологические исследования по возможности применения атмосферного выщелачивания сульфидного концентрата;

2012 год — оценка контрастности гравитационных свойств двух проб руды Удоканского месторождения меди с целью обоснования гравитационного концентрирования минералов меди и железа;

2012 год — компанией Bateman был выпущен отчет по обоснованию проекта освоения Удоканского месторождения по гидрометаллургической — флотационной схеме;

2012–2013 годы — работы по оценке возможности переработки концентратов Удоканского месторождения пирометаллургическими способами;

2012–2013 годы — исследования по гидрометаллургическому извлечению серебра из сульфидных концентратов Удоканского месторождения;

2013 год — компанией Flour был выполнен технико-экономический расчет «Сравнение технологических схем производства катодной меди и концентратов» по оценке существующих технологических схем переработки руды;

2014 год — на основании сводных данных, полученных по результатам лабораторных и полупромышленных испытаний, был разработан технологический регламент переработки руд Удоканского месторождения Институтом ТОМС.

Основные заключения по результатам ранее проведенных исследований

Руды Удоканского месторождения являются уникальными по объему запасов и своим минералогическим характеристикам, поэтому ни на территории современной России, ни в других странах нет пред-приятий, которые могли бы послужить прямыми аналогами для объективной сравнительной оценки.

Указанные выше особенности руд Удоканского месторождения не позволяют применять к ним традиционные способы обогащения и металлургической переработки. Так, высокое содержание кремнезема (63–78 %) не позволяет применять пирометаллургические процессы, а присутствие в значимых количествах соединений кальция, калия и натрия делает нецелесообразным выщелачивание всего объема руды.

Традиционные схемы гравитационного обогащения также не являются достаточно эффективными, поскольку гравиообогащение ориентировано на контрастность плотностных характеристик ценных компонентов и минералов пустой породы, которой в удоканских рудах не наблюдается.

Флотационные схемы обогащения, реализованные на медных обогатительных фабриках, перерабатываю-щих сульфидные руды, также малоэффективны для переработки руд Удоканского месторождения. При использовании реагентных режимов, традиционных для флотации сульфидов, высокая доля окисленных минералов меди в удоканской руде не позволит достичь высокого извлечения меди в концентрат. Применение сульфидизации поверхности окисленных минералов также не обеспечит высокого качества медного концентрата (≥ 25 %), достаточного для его традиционной переработки на плавильных заводах. 

Для переработки неординарных удоканских руд разработана нестандартная технология, которая, с одной стороны, позволяет эффективно справляться с технологическими особенностями, такими как окисленность медных минералов, а с другой — использовать присущий удоканским рудам уникальный минералогический состав.

В частности, на основании выполненных исследовательских и проектных работ для переработки руд была выбрана новая технологическая схема — флотационное обогащение руды с получением коллективного концентрата, его атмосферное выщелачивание и флотация кека выщелачивания с выделением сульфидного медного концентрата. Указанная технологическая схема запатентована ООО «Байкальская горная компания».

Данная схема в качестве головной операции предусматривает коллективную флотацию с формированием коллективного концентрата, в который на первой стадии коллективной флотации извлекаются преимущественно сульфидные минералы меди, а на второй — окисленные минералы.

Технологическая схема, сочетающая процессы флотации и атмосферного выщелачивания, обеспечивает производство катодной меди на участке жидкостной экстракции/электролиза и сульфидного концентрата с содержанием меди 45 % путем флотации кека выщелачивания.

Для подтверждения показателей переработки руды была выполнена программа исследований, в том числе опыты в замкнутом цикле и полупромышленные испытания. 

В период с 2013 по 2014 год на ОПК в п. Удокан был проведен ряд лабораторных и полупромышленных испытаний, а также исследований по определению степени изменчивости технологических свойств руды (технологическое картирование).

1. Лабораторные исследования для подтверждения технологической схемы флотационного обогащения

Технологические испытания проводились на пробах, сформированных из отдельных проб с различной степенью окисленности, и представляли основные участки Удоканского месторождения.

Пробы 3 и 4 представлены рудами средней окисленности, но с различным содержанием общей меди, проба 7 представляла сульфидный сорт руды, проба 8 — окисленный сорт руды (табл. 2).

характеристика исследованных проб руды

Были проведены исследования для определения оптимального выхода коллективного концентрата. Зависимость извлечения меди в коллективный концентрат от выхода коллективного концентрата представлена на рис. 1.

выход коллективного концетрата

На графике видно, что с увеличением выхода коллективного концентрата растет извлечение меди. Кривые, описывающие извлечение меди, имеют практически одинаковый угол наклона. Представленные данные свидетельствуют о том, что для всех проб с увеличением выхода концентрата наблюдается практически одинаковый прирост извлечения.

Исследования показывают, что оптимальным выходом коллективного концентрата является -20 ± 5 %.

Разработанная схема коллективной флотации позволяет перерабатывать практически все технологические типы удоканских руд (сульфидные, смешанные, окисленные) с достаточно высокими показателями.

2. Лабораторные исследования по определению вариабельности технологических свойств руды (технологическое картирование)

В рамках технологического картирования было сформировано 157 проб, которые охватывали диапазон содержаний меди от 0,10 до 6,43 %, при этом степень окисления медных минералов варьировалась от 1 до 96 %. Отобранные пробы покрывали практически всю разведанную территорию месторождения.

Технологическое картирование всех 157 проб выполнено по флотационно-гидрометаллургической схеме.

Результаты выполненного технологического картирования продемонстрировали большой разброс извлечения меди в коллективный концентрат (рис. 2). С увеличением степени окисления извлечение меди снижается и увеличивается вариативность показателей.

степень окисления руды

Опыты по атмосферному выщелачиванию коллективного концентрата для проб руды с содержанием окисленной меди более 0,3 % показали стабильно высокое извлечение меди в раствор при атмосферном выщелачивании (95–99 %) из коллективного концентрата вне зависимости от типа руды.

На основе результатов флотационных тестов в замкнутом цикле и оценки изменчивости техноло-гических свойств руды для трех основных типов — сульфидного, оксидного и смешанного были разработаны корреляционные зависимости извлечения меди и серебра от их содержания в руде. 

3. Полупромышленные испытания

В 2013 и 2014 годах на опытно-промышленном комплексе Байкальской горной компании были проведены полупромышленные испытания технологической схемы переработки руды месторождения Удокан. Испытания 2013 года были проведены с целью получения технологических показателей флотационно-гидрометаллургической технологической схемы. В 2014 году в ходе полупромышленных испытаний проводилось подтверждение и уточнение показателей и режимных параметров.

Полупромышленные испытания флотационно-гидрометаллургической схемы проводились в непрерывном режиме при производительности по исходной руде 1,0–1,5 т/ч. Общая масса испытанных проб составила около 850 т.

Испытания проводились на пробе руды, отобранной с участка Медный, который характеризует руду за весь период отработки месторождения. Представительность отобранной пробы была установлена по следующим основным показателям: содержание меди, минеральный и химический состав — и подтверждена специалистами российских и зарубежных организаций (см. табл. 3).

характеристика отработанной руды для ппи

По результатам опробования технологической схемы коллективной флотации за весь период полупромышленных испытаний определена зависимость извлечения меди от выхода коллективного сульфидно-окисленного концентрата (рис. 3).

При проведении полупромышленных испытаний достигнуты стабильные показатели по степени извлечения меди в коллективный сульфидно-окисленный флотационный концентрат на уровне 88,27–89,55 % при его выходе 19–22 %.

Полученные показатели в цикле атмосферного выщелачивания коллективного концентрата подтвердили высокую эффективность сернокислотного выщелачивания окисленных минералов меди, извлекается 96,3–98,4 % окисленной меди от поступающей с коллективным концентратом.

В 2017 году в рамках договора, заключенного Байкальской горной компанией с компанией Outotec, в лаборатории «Механобр Инжиниринг» были проведены исследования по сравнению различных схем обогащения с целью подтверждения и определения возможностей улучшения технологии обогащения и гидрометаллургической переработки руды Удоканского месторождения.

Были выполнены опыты в открытом и замкнутом циклах, а также имитационное моделирование для вариантов селективной флотации сульфидных и оксидных минералов меди. Рассмотрены варианты получения «богатых» сульфидного и оксидного концентратов, а также вариант получения «богатого» сульфидного и «бедного» оксидного концентратов, был также рассмотрен вариант с удалением шламов после первой стадии измельчения и межцикловой флотацией.

В результате опытов были получены селективные сульфидный и оксидный концентраты с содержанием меди в сульфидном концентрате 35,49–36,94 %, в оксидном «богатом» концентрате — 22,51 %, в оксидном «бедном» концентрате — 4,81 % при суммарном извлечении от 87,75 до 91,92 %.

Предлагаемый Outotec технологический процесс включал получение раздельных сульфидного и оксидного концентратов, их атмосферное выщелачивание, дополнительное автоклавное выщелачивание для переработки халькопирита и производства серной кислоты, извлечение меди из растворов по технологии SX-EW.

Опыты по атмосферному выщелачиванию показали, что извлечение меди из концентратов находится на уровне 97 %, а при автоклавной переработке извлечение составляет 99 %.

В сентябре 2018 года были проведены полупромышленные испытания на опытно-промышленном комплексе в п. Удокан по проектной технологической схеме полного цикла с получением продуктов переработки катодной меди и сульфидного концентрата с целью подтверждения проектных показателей. К участию в полупромышленных испытаниях были приглашены международные поставщики оборудования и специалисты проектных и научных институтов, независимых международных консалтинговых компаний, таких как Outotec, FLSmidth, IMC Montan, «Механобр», НИПИИ ТОМС и др. Все участники подтвердили, что результаты испытаний говорят о достижимости проектных показателей технологической схемы.

Приведенный обзор результатов исследований, выполненных за последние 67 лет, показывает достаточную изученность технологических свойств руд Удоканского месторождения.  Были исследованы всевозможные варианты технологии переработки сульфидных, окисленных и смешанных руд. Рассмотрены варианты как чисто флотационных методов обогащения с последующей гидрометаллургической и пирометаллургической переработкой концентратов, так и различные варианты комбинированной технологии, сочетающей флотационные методы и гидрометаллургические процессы.

Исследованы возможности кучного и бактериального выщелачивания исходной руды, возможность предварительного гравитационного обогащения.

На опытно-промышленном комплексе ООО «БГК» с 2006 года по настоящее время были отработаны различные варианты технологии переработки руд Удоканского месторождения меди и подтверждены проектные показатели. 

Выполненный анализ существующих схем переработки руд Удоканского месторождения позволяет утверждать, что наибольшей степенью технической проработки на сегодняшний день обладает вариант с получением коллективного концентрата, его выщелачиванием в атмосферных условиях с получением медьсодержащего раствора и его переработкой по технологии SX-EW с производством катодной меди, флотации кека выщелачивания с формированием товарного сульфидного концентрата, содержащего 40–45 % меди.

В конце 2018 года было получено положительное заключение ФАУ «Главгосэкспертиза России» на проект «Горно-металлургический комбинат «Удокан». I очередь строительства на производительность 12,0 млн т руды в год». Расчет экономической эффективности проекта показал его привлекательность для инвестирования.

Выводы

Таким образом, ООО «Байкальская горная компания» совместно с крупнейшими проектными и научными институтами, независимыми международными консалтинговыми компаниями и поставщиками оборудования выработала в рамках проектирования технические и технологические решения, которые позволят реализовать строительство горно-металлургического комбината в значительной удаленности от крупных населенных пунктов, в сложных горно-геологических, географических и климатических условиях. При этом проект предусматривает высокую экономическую эффективность.