PL249983B1 - Sposób usuwania pozostałości z rozdrabniania i przetwarzania rud i odzyskiwania wody z przetwarzania - Google Patents

Abstract

Niniejszy wynalazek dotyczy sposobu usuwania pozostałości po rozdrabnianiu i przetwarzaniu rud. Sposób obejmuje etapy klasyfikacji pozostałości po przetwarzaniu na przepuszczalną dla wody frakcję piasku i frakcję odpadów, oraz osadzania frakcji odpadów i frakcji piasku w celu utworzenia wielowarstwowej struktury zawartej w co najmniej jednej ścianie ograniczającej (14) z frakcją piasku tworzącą ciągłe kanały (12) przez frakcję odpadów (10), aby umożliwić grawitacyjny przepływ wody zawartej w odpadach i piasku, poprzez kanały piaskowe, do punktów zrzutu wody (16) i odzyskiwanie wody (18) z punktów odpływu wody. Przedmiotem zgłoszenia jest także miejsce odwadniania odpadów wydobywczych.

Description

Opis wynalazku

TŁO WYNALAZKU

Wynalazek dotyczy sposobu odzyskiwania wody i tworzenia stabilnych form terenu z odpadów wydobywczych.

Większość wody zużywanej w działaniu wydobywczym skał zwięzłych, takiej jak ta do odzyskiwania metali pospolitych lub szlachetnych, zawarta jest w bardzo drobno zmielonych odpadach z flotacji lub ługowania. Mielenie drobne wymagane jest do uwolnienia składnika użytecznego z rudy, aby uzyskać zadowalające odzyski. Powstałe odpady są zagęszczane celem częściowego odzyskania wody, a ponieważ zagęszczony muł płuczkowy nadal ulega upłynnieniu, są one hydraulicznie osadzane w specjalnie zbudowanych zaporach zwanych obiektami unieszkodliwiania odpadów wydobywczych (TSF).

Cząstki odpadów mają zwykle średnicę mniejszą niż 150 mikronów i ze względu na ich niską przepuszczalność nie da się łatwo odprowadzić z nich cieczy ani przefiltrować, aby usunąć wciągniętą wodę.

Nawet tam, gdzie stosuje się filtrację odpadów, spiętrzanie i składowanie filtrowanego produktu może być problematyczne, ponieważ z filtrowanymi odpadami trudno się obchodzić i nie mają one integralności strukturalnej. Filtracja i mechaniczne spiętrzanie są operacjami wysoce kosztownymi i nadal generują pozostałości, które dalej są trudne do składowania na wielu terenach.

I tak dwa od dawna zakładane cele przemysłu wydobycia skał zwięzłych, takich jak miedź lub złoto, lub PGM czy inne metale pospolite, to po pierwsze odzyskiwanie wody zużywanej w odpadach, a po drugie znalezienie taniego sposobu spiętrzania odpadów w suchej i stabilnej postaci.

W przemyśle rolniczym, budowlanym i stabilizacji gruntu od dawna stosuje się koncepcję wyprowadzania cieczy na zasadzie zjawiska kapilarnego celem odwodnienia gleb o niskiej przewodności hydraulicznej.

Dren punktowy (pionowy albo poprzeczny) tworzy się przez wprowadzanie ciągłej warstwy materiału o wyższej przewodności hydraulicznej do gleby ze słabo odprowadzoną cieczą, aby umożliwić przemieszczanie się wody z obszarów gleby o niskiej przewodności hydraulicznej do bardziej porowatego drenu, z którego może płynąć do punktu, gdzie może być wypuszczana. W większości drenów punktowych wykorzystuje się przepuszczalną dla wody geowłókninę owiniętą wokół centralnego porowatego rdzenia, umożliwiając selektywny przepływ wody z nasyconej gleby do porowatego elementu wyprowadzającego ciecz.

Jako materiał wyprowadzający ciecz na zasadzie zjawiska kapilarnego stosowany jest również piasek (co często określa się drenażem francuskim), ponieważ ma on wysoką przewodność hydrauliczną (około 2 rzędów wielkości większą niż gleba ze słabo odprowadzoną cieczą). Kanał piaskowy umożliwia stały drenaż z gleby o niskiej przewodności (np. gliny) do piaskowego drenu, skąd może płynąć do punktu odwadniania. Wydaje się, że efekt wyprowadzania cieczy na zasadzie zjawiska kapilarnego właściwy dla nienasyconego piasku „wyciąga wodę” z otaczającej nasyconej gleby.

Do odwadniania odpadów wydobywczych mogą mieć zastosowanie podobne zasady wyprowadzania cieczy na zasadzie zjawiska kapilarnego.

Jednak rozkład wielkości odpadów wydobywczych jest taki, że mają one niską przewodność hydrauliczną (zwykle 10^-4 do 10^-6 cm/s), a zatem, gdy występują w dowolnej dużej objętości, pozostają „na stałe” powyżej nasycenia; zawartość wody, przy której może zachodzić upłynnienie odpadów, jeśli przyłożone obciążenie zewnętrzne.

Końcowa zawartość wody w osiadłych odpadach wynosi zwykle około 0,5-0,55 m³ wody na tonę odpadów.

W rzeczywistości w wielu systemach prawnych władze nalegają na zastosowanie nieprzepuszczalnego wyłożenia na dnie i bokach obiektu unieszkodliwiania odpadów wydobywczych (TSF), aby zapobiec trwałemu wyciekowi wody z TSF do otaczającego środowiska.

Ze względu na występujące objętości sporadyczne uszkodzenia ścian ograniczających TSF, używanych do utrzymywania pozostałości wydobywczych, mogą mieć katastrofalne skutki. Takie uszkodzenia powodowały ofiary śmiertelne i szkody środowiskowe na dużą skalę.

Koncepcja zastosowania pionowych drenów punktowych wykorzystujących materiały z geowłókniny do odwadniania odpadów została z powodzeniem wypróbowana do konsolidacji dawnych odpadów, aby umożliwić przeniesienie częściowo wysuszonego materiału (Proceedings Tailings and Mine Waste 2015 Vancouver, BC, 26-28 października 2015 r.). Jednak koszt instalacji bardzo dużej liczby pionowych drenów punktowych, w odstępach 1-3 metrów na dużym obiekcie unieszkodliwiania odpadów wydobywczych, jest wygórowany. Koszt materiałów każdego konwencjonalnego drenu punktowego z geowłókniny jest znaczny, podobnie jak koszt umieszczania każdego drenu.

Zastosowaniem komercyjnym najbliższym koncepcji drenu punktowego w składowaniu odpadów jest warstwa piasku lub rozplanowanych kanałów drenażowych, które na ogół umieszcza się na wyłożeniach na dnie TSF, aby umożliwić wodzie przemieszczanie się poprzecznie do lokalizacji pompy odwadniającej. Jednakże w dłuższym okresie szybkość efektywna odwadniania TSF z piasku na dnie zapory jest ograniczona. Odwadnia się tylko kilka metrów przylegających do tych ścieżek drenażowych, ze względu na niską przewodność hydrauliczną wielu metrów odpadów leżących nad nimi oraz na brak możliwości dostępu powietrza wypierającego wodę zawartą w odpadach.

I tak w przemyśle wydobywczym wyprowadzanie cieczy na zasadzie zjawiska kapilarnego nie rozwinęło się, nawet w tych lokalizacjach TSF, w których woda, jaką można by odzyskać, ma znaczną wartość.

Podobna koncepcja zapewnienia warstwy o wysokiej przepuszczalności, aby pomóc w odwadnianiu cieńszej warstwy odpadów o niskiej przepuszczalności znajdującej się powyżej, polega na filtracji taśmowej, zastrzeżonej przez Bentley’a et al. (US3767050A). Filtrację mułu płuczkowego odpadów o niskiej przepuszczalności przyspiesza się poprzez umieszczanie odpadów na leżącej pod nimi warstwie piasku.

W innej podobnej koncepcji Ren et al (US 9188389 B2) rozprowadzają ciągłe równoległe warstwy drobnych odpadów piasku roponośnego pod wpływem siły ciężkości na warstwy innego materiału podstawy o wyższej przepuszczalności, takiego jak drobne odpady po obróbce piasku roponośnego, aby zwiększyć integralność strukturalną drobnych odpadów.

Aby utrzymać te równoległe warstwy odpadów i piasku, które są osadzane hydraulicznie i przepływają pod wpływem siły ciężkości na rozległym obszarze, odpowiednie muły płuczkowe przed osadzaniem poddawane są obróbce chemicznej. Ta obróbka chemiczna dopasowuje kąty nasypu frakcji piasku i odpadów, aby utrzymać jednakową głębokość obu frakcji struktury i dopasować ten kąt do nachylenia terenu, na którym planowane jest osadzanie. Ten kąt zwany jest kątem tworzenia plaży (ang. beaching angle) i w kontekście technologii odpadów poflotacyjnych i technologii ługowania hałd odnosi się do kąta naturalnego usypu, jaki tworzą osiadające ciała stałe (odpady lub ruda) na krawędzi obszaru osadzania, gdy spływa woda. Ten kąt tworzenia plaży jest zwykle większy niż 1%, przy czym górna i dolna granica są ograniczane dostosowaniami możliwymi do uzyskania poprzez modyfikację chemiczną odpowiednich mułów płuczkowych. Możliwa do uzyskania grubość warstwy w strukturze warstwowej, zwykle mniej sza niż 1 m, jest ograniczona progowym okresem odwadniania wymaganym do osiągnięcia pożądanej wytrzymałości na ścinanie przed dodaniem następnej warstwy. Podczas tego progowego czasu odwadniania warstwa o wyższej przepuszczalności częściowo odprowadza ciecz, zapewniając nienasyconą podstawę, która jest dostępna do częściowego odwadniania leżącej nad nią warstwy o niskiej przepuszczalności, zwiększając tym samym wytrzymałość na ścinanie struktury kompozytowej.

Niezależnie od tego opracowywane są technologie wzbogacania frakcji grubych mające na celu odrzucanie skały płonnej grubszej wielkości. Te technologie wzbogacania frakcji grubych obejmują takie techniki, jak flotacja cząstek grubych (CPF) i ługowanie bardzo grubych pozostałości CPF celem odzysku składnika użytecznego rud do bardziej stężonej postaci, przy grubszej wielkości mielenia.

Ten piasek resztkowy pozostający z CPF lub ługowania hałd piasku resztkowego (SHL) ma zawartość metalu podobną do konwencjonalnych odpadów i dlatego przeznaczony jest bardziej do trwałego usunięcia niż do drobniejszego rozdrabniania. Ta możliwość wytwarzania grubszych pozostałości, bez poświęcania odzysku, daje opcję częściowego odzysku wody z powstałej pozostałości stanowiącej piasek resztkowy. Zwiększenie wielkości mielenia przy użyciu CPF generuje na przykład oddzielny strumień skały płonnej, który może być osadzany jako pozostałość stanowiącą piasek resztkowy o wysokiej przepuszczalności i swobodnym odprowadzaniu cieczy.

Pozostałość z CPF stanowiąca piasek resztkowy może być osobno spiętrzana i może być z niej odprowadzana ciecz celem odwodnienia do około 90% ciał stałych (WO2017/195008) lub alternatywnie mieszana z proporcją konwencjonalnych odpadów, aby włączyć jak najwięcej odpadów do piasku resztkowego, przy jednoczesnym zachowaniu stabilności spiętrzenia (WO2018/234880).

Ponieważ odzysk CPF nadal uzależniony jest od częściowej ekspozycji minerałów użytecznych i uwolnienia skały płonnej podczas mielenia, odpowiednia ekspozycja pożądanego minerału występuje tylko po zmieleniu rudy do wielkości mniejszej niż wielkość średniego piasku resztkowego (zwykle około

3-500 mikronów). Gdy górny koniec rozkładu wielkości ma tę wielkość, przy której można uzyskać wysoki odzysk w CPF, około 50-70% mielonej rudy jest już zmielone do wielkości odpowiadającej konwencjonalnym odpadom. I tak nawet przy mieszaniu piasku resztkowego i odpadów CPF zastrzeżonym w WO2018/234880, albo trzeba poświęcić odzysk, żeby uzyskać mieszankę o swobodnym odprowadzaniu cieczy, albo poprzez mieszanie uzyskać można tylko częściowe usuwanie odpadów. Problem składowania odpadów jest zatem nadal aktualny.

ISTOTA WYNALAZKU

Przedmiotem wynalazku jest sposób usuwania pozostałości z rozdrabniania i przetwarzania rud i odzyskiwania wody z przetwarzania, obejmujący etapy:

klasyfikuje się pozostałości z przetwarzania na przepuszczalną dla wody frakcję piasku resztkowego zawierającą cząstki piasku resztkowego o p80 wyższej niż 150 mikronów, oraz frakcję odpadów zawierającą cząstki piasku resztkowego o p80 niższej niż 150 mikronów, osadza się frakcję odpadów z kątem tworzenia plaży wynoszącym 0,5% do 2%, oraz frakcję piasku resztkowego z utworzeniem wielowarstwowej struktury ograniczanej przez co najmniej jedną ścianę ograniczającą, przy czym frakcję piasku resztkowego osadza się w kanałach, a warstwę odpadów osadza się hydraulicznie, tak że frakcja piasku resztkowego tworzy ciągłe kanały poprzez warstwę odpadów, charakteryzujący się tym, że:

do kanałów piasku resztkowego dostarcza się powietrze poprzez otwory dostępu powietrza kierując przepływem grawitacyjnym wodę zawartą w warstwie odpadów i kanałach piasku resztkowego poprzez kanały piasku resztkowego do punktów odpływu dla wody; oraz odzyskuje się wodę z punktów odpływu dla wody.

Korzystnie pozostałości z przetwarzania klasyfikowane do frakcji piasku resztkowego to cząstki piasku resztkowego o p80 wyższej niż 300 mikronów.

Korzystnie pozostałości z przetwarzania klasyfikowane do frakcji piasku resztkowego to cząstki piasku resztkowego o p80 wyższej niż 400 mikronów.

Korzystnie frakcja piasku resztkowego swobodnie odprowadza ciecz.

Korzystnie woda spływa pod wpływem siły ciężkości z frakcji piasku resztkowego, tworząc nienasycony piasek resztkowy.

Korzystnie nienasycony piasek resztkowy zawiera mniej niż 15% wagowych wody.

Korzystnie frakcję odpadów traktuje się chemicznymi dodatkami przed osadzeniem, aby utworzyć bardziej przepuszczalną warstwę odpadów lub zmienić naturalny kąt tworzenia plaży.

Korzystnie pozostałość z przetwarzania jest klasyfikowana w taki sposób, że co najmniej 50% piasku resztkowego ma zakres wielkości cząstek od 0,1 do 1 mm.

Korzystnie pozostałość z przetwarzania jest klasyfikowana w taki sposób, że co najmniej 70% piasku resztkowego w zakresie wielkości cząstek od 0,1 do 1 mm.

Korzystnie pozostałość z przetwarzania jest klasyfikowana w taki sposób, że co najmniej 90% piasku resztkowego ma zakres wielkości cząstek od 0,1 do 1 mm.

Korzystnie pozostałość z przetwarzania jest klasyfikowana w taki sposób, że piasek resztkowy zawiera mniej niż 25% materiału poniżej 0,75 mm.

Korzystnie pozostałość z przetwarzania jest klasyfikowana w taki sposób, że piasek resztkowy zawiera mniej niż 15% materiału poniżej 0,75 mm.

Korzystnie pozostałość z przetwarzania jest klasyfikowana w taki sposób, że piasek resztkowy zawiera mniej niż 10% materiału poniżej 0,75 mm.

Korzystnie ściana ograniczająca utworzona na końcu struktury będącym końcem odzyskiwania wody jest przepuszczalna dla wody i woda spływa z punktów odpływu dla wody poprzez ścianę ograniczającą.

Korzystnie ściana ograniczająca utworzona na końcu struktury będącym końcem odzyskiwania wody nie jest przepuszczalna dla wody i woda jest usuwana ze struktury przez pompowanie z centralnego punktu odpływu dla wody.

Korzystnie kanały piasku resztkowego umieszcza się tak, że maksymalna odległość od dowolnego punktu w odpadach do najbliższego kanału piasku resztkowego jest mniejsza niż 10 metrów.

Korzystnie kanały piasku resztkowego umieszcza się tak, że maksymalna odległość od dowolnego punktu w odpadach do najbliższego kanału piasku resztkowego jest mniejsza niż 3 metry.

Korzystnie kanały piasku resztkowego umieszcza się tak, że maksymalna odległość od dowolnego punktu w odpadach do najbliższego kanału piasku resztkowego jest mniejsza niż 2 metry.

Korzystnie kanały piasku resztkowego łączy się pionowo i poprzecznie, tworząc 3-wymiarową matrycę przepuszczalnych kanałów w obrębie odpadów.

Korzystnie frakcję odpadów osadza się hydraulicznie, aby zapewnić kąt tworzenia plaży wynoszący 0,5% do 1%.

Korzystnie frakcję odpadów osadza się hydraulicznie, aby zapewnić kąt tworzenia plaży wynoszący 0,5%.

Korzystnie frakcje piasku resztkowego oraz frakcje odpadów osadza się kolejno warstwami, tworząc warstwy odpadów, które mają 1 do 10 m grubości, i kanały piasku resztkowego, które mają 0,05 do 2 m grubości.

Korzystnie frakcje piasku resztkowego oraz frakcje odpadów osadza się kolejno warstwami i kanały piasku resztkowego mają grubość między 0,05 a 2 m.

Korzystnie frakcje piasku resztkowego oraz frakcje odpadów osadza się kolejno warstwami i kanały piasku resztkowego mają grubość między 0,2 a 1 m.

Korzystnie frakcje piasku resztkowego oraz frakcje odpadów osadza się kolejno warstwami i kanały piasku resztkowego mają grubość między 0,3 a 0,7 m.

Korzystnie frakcje piasku resztkowego osadza się w oddzielnych rzędach oddalonych od siebie, a frakcje odpadów osadza się kolejno warstwami, tworząc warstwy odpadów, które mają 1 do 10 m grubości, i kanały piasku resztkowego, które mają 0,05 do 2 m grubości, i są oddalone od siebie o 2 do 10 m.

Korzystnie frakcje piasku resztkowego osadza się w oddzielnych rzędach oddalonych od siebie, a frakcje odpadów osadza się kolejno warstwami, tworząc warstwy odpadów, które mają 1 do 10 m grubości, i kanały piasku resztkowego, które mają 0,05 do 1 m grubości, i są oddalone od siebie o 2 do 5 m.

Korzystnie frakcje piasku resztkowego osadza się tak, aby utworzyć pionowe dreny punktowe w warstwach odpadów między górnymi i dolnymi kanałami piasku resztkowego.

Korzystnie frakcje piasku resztkowego stosuje się do zbudowania wewnętrznych i zewnętrznych przepuszczalnych obwałowań z piasku resztkowego i obwałowania dzieli się dalej, tworząc oddzielne pola ograniczające i każde pole wypełnia się następnie przez hydrauliczne osadzanie warstwy odpadów do odpowiedniej wysokości i umożliwia wodzie spływanie do leżących pod nimi kanałów piasku resztkowego i na zewnątrz poprzez przepuszczalne obwałowania z piasku resztkowego do punktu spływu dla wody.

Korzystnie podczas osadzania warstw tylko trzy górne warstwy odpadów są nasycone wodą.

Korzystnie podczas osadzania warstw tylko dwie górne warstwy odpadów są nasycone wodą.

Korzystnie podczas osadzania warstw tylko górna warstwa odpadów jest nasycona wodą.

Korzystnie frakcje piasku resztkowego wytwarza się w sposobie wzbogacania frakcji grubych, a warstwę odpadów wytwarza się w konwencjonalnej flotacji rudy.

Korzystnie sposobem wzbogacania frakcji grubych jest flotacja cząstek grubych, przesiewanie, separacja grawitacyjna, separacja elektrostatyczna i separacja magnetyczna.

Korzystnie sposobem wzbogacania frakcji grubych jest flotacja cząstek grubych.

Korzystnie frakcje piasku resztkowego wytwarza się w ługowaniu hałd piasku resztkowego, a warstwę odpadów wytwarza się w konwencjonalnym ługowaniu agitacyjnym.

KRÓTKI OPIS RYSUNKÓW

Fig. 1 jest schematycznym rysunkiem przedstawiającym boczny przekrój poprzeczny wielowarstwowej struktury według pierwszego przykładu wykonania wynalazku;

Fig. 2A i 2B są schematycznymi rysunkami przedstawiającymi przekroje poprzeczne boczny i przedni wielowarstwowej struktury według drugiego przykładu wykonania wynalazku;

Fig. 3A i 3B są schematycznymi rysunkami przedstawiającymi przekroje poprzeczne boczny i przedni wielowarstwowej struktury według trzeciego przykładu wykonania wynalazku;

Fig. 4A i 4B są schematycznymi rysunkami przedstawiającymi widok z góry i przekrój poprzeczny boczny wielowarstwowej struktury pola według czwartego przykładu wykonania wynalazku; oraz

F ig. 5 jest wykresem przedstawiającym wyniki badań laboratoryjnych metodą zmiennego gradientu i edometryczną dla odpadów miedzianych z Chile, przedstawiającym stosunek przepuszczalności do wskaźnika porowatości, istotny dla przewidywania uwalniania wody z konsolidujących się odpadów.

OPIS KORZYSTNYCH PRZYKŁADÓW WYKONANIA

Wynalazek wykorzystuje frakcję piasku resztkowego pozostałości wytworzonej przy wzbogacaniu minerałów w nowej strukturze składowania odpadów dla odzyskania większości zawartej wody i zwiększenia geotechnicznej stabilności struktury kompozytowej, umożliwiając jednocześnie kontynuację obecnej praktyki taniego hydraulicznego umieszczania odpadów.

Przez osadzanie grubych i drobnych pozostałości w strukturze zawierającej ciągłe kanały przepuszczalnego piasku resztkowego poprzez warstwy odpadów, większość wody zawartej w odpadach może spływać do piasku resztkowego podobnie jak ma to miejsce w konwencjonalnej filtracji grawitacyjnej. Kanały piasku resztkowego są osadzane, aby umożliwić wodzie migrację pod wpływem siły ciężkości do punktu odpływu.

Ciągłe kanały przepuszczalnego piasku resztkowego umieszcza się tak, że średnia długość ścieżki dla wody z dowolnej części odpadów do najbliższego kanału piasku resztkowego ułatwia przemieszczanie się wody z odpadów z akceptowalną szybkością do kanału piasku resztkowego, z którego może być wypuszczana. Odległość od dowolnego punktu w odpadach do najbliższego kanału piasku resztkowego jest mniejsza niż 10 m i zwykle mniejsza niż 5 m, i umożliwia skuteczne odwadnianie odpadów przez okres tygodni i miesięcy. Im mniejsza odległość od odpadów do odwodnionego kanału piasku resztkowego, tym szybsze odwadnianie.

Wynalazek wykorzystuje rudę, która została zmielona dla odzyskania zawartego w niej minerału użytecznego, rozdzielając pozostałość na frakcje piasku resztkowego i odpadów. Nie są wymagane żadne dodatkowe materiały, ponieważ materiał wymagany do struktury pozostałości może być wytwarzany w ramach wzbogacania. Dodatkowy materiał przepuszczalny, taki jak skały odpadowe, lub materiały wyłożenia, takie jak glina lub geowłóknina, mogą być jednak stosowane do uzupełniania ścian ograniczających lub kanałów piasku resztkowego.

Wodę odzyskuje się ze struktury poprzez migrację wzdłuż tych drenażowych kanałów piasku resztkowego, aby spłynęła przez przepuszczalne ściany obwałowań albo została usunięta przez pompowanie z centralnego punktu odpływu wody. Woda jest wychwytywana w celu odzysku i ponownego użycia lub kontrolowanego odpływu z powrotem do środowiska, pod warunkiem że jakość wody spełnia odpowiednie normy odpływu.

Do odpadów o niskiej przepuszczalności przed osadzaniem odpadów można dodać chemiczne flokulanty dla zwiększenia ich późniejszej przewodności hydraulicznej, a tym samym szybkości ich odwadniania.

Szybkość drenażu do kanału piasku resztkowego jest większa podczas początkowych etapów drenażu odpadów, a następnie staje się mniejsza przez okres miesięcy, a nawet lat, ponieważ woda w otaczających odpadach jest stopniowo wypierana przez powietrze.

Początkowo szybkie odwadnianie umożliwia każdej warstwie odpadów osiągnięcie integralności strukturalnej odpowiedniej do umieszczenia kanałów piasku resztkowego na powierzchni warstwy odpadów. Później następną warstwę odpadów można umieszczać hydraulicznie na kanałach piasku resztkowego i kontynuować sposób do zbudowania wielopoziomowej struktury.

Ostateczny drenaż struktury umożliwia wytrzymałości porównywalne z nienasyconą glebą.

Przy odpowiednim obwałowaniu ograniczającym górną warstwę(-y) osadzania odpadów strukturę osadzania pozostałości można dostosować do naturalnego terenu, co pozwala tym samym na większą elastyczność przy wyborze miejsca usuwania pozostałości.

Jak zauważono, wysokie odzyski pierwiastków użytecznych można utrzymać przy jednoczesnym wytwarzaniu piasku resztkowego z rudy, za pomocą technik wzbogacania frakcji grubych. Przykładami tych technik wzbogacania frakcji grubych są flotacja cząstek grubych (CPF) lub ługowanie hałd piasku resztkowego (SHL). Techniki te zapewniają wystarczającą ilość piasku resztkowego o odpowiedniej wielkości i ilości.

Gdy na przykład CPF stosuje się do wzbogacania rud miedzi, PGM, złota lub żelaza, w zależności od charakterystyki uwalniania danej rudy podczas rozdrabniania, wytwarza ona pozostałość stanowiącą piasek resztkowy w stosunku (piasek resztkowy/(piasek resztkowy plus odpady)) między 20-50% pierwotnej rudy. Pozostałość stanowiąca piasek resztkowy ze wzbogacania frakcji grubych jest zwykle w zakresie wielkości wynoszącym 100-600 mikronów, a drobiny, które w przeciwnym razie mogłyby zmniejszyć przewodność hydrauliczną, zostały usunięte z piasku resztkowego przez fluidyzację, która zachodzi w sposobie CPF. W związku z tym piasek resztkowy pozostały z CPF jest przepuszczalną i swobodnie odprowadzającą ciecz pozostałością.

0-50% przepuszczalnego piasku resztkowego z CPF zapewnia wystarczającą ilość materiału, aby umożliwić przemieszczanie się wody do punktów spływu, a także aby wytworzyć takie obwałowanie, jakie może być wymagane.

Piasek resztkowy powstający ze wzbogacania frakcji grubych i umieszczany w kanałach ma wielkość dobrą do zastosowania jako materiał wyprowadzający wodę na zasadzie zjawiska kapilarnego do odwadniania odpadów.

• Piasek resztkowy ma wysoką przewodność hydrauliczną i łatwo przepuszcza powietrze, wypierając wodę porową. Może przemieszczać wodę na duże odległości, nawet przy umiarkowanym gradiencie.

• Piasek resztkowy jest wystarczająco mały, by mógł być osadzany hydraulicznie, a mimo to osadza się wystarczająco szybko, aby można go było ułożyć w docelowym miejscu kanału lub po prostu rozprowadzić, tworząc ciągłe, choć niekoniecznie jednolite warstwy na powierzchni odpadów.

• Pozorny ciężar właściwy piasku resztkowego jest podobny do odpadów, dlatego mieszanie warstw piasku resztkowego i odpadów podczas osadzania i drenażu jest ograniczone (na przykład pozorny ciężar właściwy piasku resztkowego lub odpadów dla rudy miedzi, mierzony w punkcie nasycenia, będzie zwykle wynosił między 2,1 a 2,5 tony/m³).

• Względne wielkości piasku resztkowego i odpadów oznaczają, że drobne odpady nie mogą łatwo zajmować szczelin w piasku resztkowym, dlatego mieszanie dwóch materiałów jest ograniczone podczas osadzania i późniejszego drenażu.

• Powierzchnie styku między piaskiem resztkowym a odpadami tworzą skuteczną strefę „filtra”. Filtr ten umożliwia wodzie selektywne spływanie z odpadów do piasku resztkowego, jak zachodziłoby to przez warstwę piasku na mechanicznym urządzeniu filtrującym (np. US3767050A).

Chociaż piasek resztkowy jest korzystnie wytwarzany w oddzielnym sposobie wzbogacania frakcji grubych, możliwe jest również zgrubienie mielenia istniejącego sposobu wzbogacania lub ługowania, a następnie oddzielenie wymaganej frakcji piasku resztkowego od pozostałej części pozostałości z przetwarzania, aby utworzyć frakcję piasku resztkowego i odpadów.

Kanały piasku resztkowego układa się tak, aby umożliwić trwałe przedostawanie się powietrza, aby sprzyjać przepływowi grawitacyjnemu wody ze składowanych odpadów do funkcjonalnej liczby dogodnie zlokalizowanych wewnętrznych punktów zbierania i odwadniania lub poprzez przepuszczalne obwałowanie do zewnętrznych punktów zbierania. Trwały drenaż zatopionych warstw odpadów w strukturze wspomaga nacisk leżących nad nimi warstw odpadów i piasku resztkowego.

Na koniec eksploatacji kopalni wlot powietrza można szczelnie zamknąć, aby uniknąć długotrwałego wytwarzania się kwasu.

Należy zauważyć, że w sposobie zastrzeżonym przez Ren et al. nie przewidziano dostępu powietrza lub portów drenażowych ułatwiających odzyskiwanie wody lub innych mechanizmów trwałego wypierania wody z zatopionych warstw w obrębie struktury. Ze względu na niską przepuszczalność odpadów leżących na wierzchu trwałe wypieranie dalszej wody z warstw o wysokiej przepuszczalności będzie ograniczone po ich przykryciu. I tak, chociaż obróbka chemiczna Rena i równolegle uwarstwiona konstrukcja kompozytowa zwiększą wytrzymałość plastyczną struktury odpadów z piasków roponośnych i będą zgodne z kanadyjską dyrektywą 74, to odzysk wody z odpadów wydobywczych będzie dużo mniejszy, niż byłby możliwy do uzyskania za pomocą innych technik, takich jak filtracja i suche spiętrzanie odpadów. Ponadto sposobu w dużej mierze podobnego pod względem zamysłu do sposobu Rena nie można zastosować w konwencjonalnym wydobyciu skał zwięzłych, ponieważ w ramach mielenia i przetwarzania nie powstaje odpowiednio przepuszczalny piasek resztkowy. Gdyby mielenie było wystarczająco grube, aby wytworzyć wystarczającą ilość piasku resztkowego, zmniejszyłby się konwencjonalny odzysk minerałów użytecznych.

Sposób według wynalazku może zmniejszyć straty wody w odpadach z obecnego poziomu około 0,5-0,55 m³/tonę odpadów do zwykle około 0,1 do 0,15 m³/tonę pozostałości. Ponieważ straty wody w odpadach stanowią większość całkowitej ilości wody zużywanej w działaniu wydobywczym skał zwięzłych, ta możliwość odzyskania wody z odpadów stanowi znaczącą zmianę w ogólnym zużyciu wody w kopalni.

Sposoby projektowania i przygotowania spiętrzenia.

Wynalazek składa się z wielu etapów, które stanowią sposób odzyskiwania wody i tworzenia stabilnych form terenu z odpadów.

• Wytworzyć oddzielną, odpowiedniej wielkości frakcję pozostałości stanowiącej piasek resztkowy oraz odpadów z przetwarzanej rudy.

• Osadzać oddzielnie frakcje pozostałości stanowiącej piasek resztkowy oraz odpadów, tworząc ciągłe kanały piasku resztkowego w obrębie całkowitej objętości odpadów.

• Utworzyć strukturę kanałów piasku resztkowego, aby umożliwić przepływ wody pod wpływem siły ciężkości do punktów odpływu wody.

• Odzyskać wodę z tych punktów odpływu, aby umożliwić trwały drenaż odpadów.

• Stopniowo budować strukturę kanałów piasku resztkowego/odpadów i wykorzystywać wagę leżącego nad nią piasku resztkowego i odpadów do przyspieszania odwadniania niższych poziomów składowanych odpadów.

Podano różne przykłady, które nie ograniczają się do konkretnych przypadków, ilustrujące niektóre możliwe projekty struktury oraz różne sposoby, za pomocą których można skonstruować strukturę.

Ściany/obwałowania ograniczające, które ograniczają całą strukturę, mogą przybierać różne formy.

W jednym przykładzie wykonania wynalazek może być stosowany w obrębie ograniczonej struktury podobnej do zapory, takiej jak w przeszłości stosowana do składowania odpadów. Ta alternatywa umożliwia wysoki odzysk wody. Jedynie niewielka część całkowitej ilości odpadów ulega w danej chwili upłynnieniu, co zmniejsza tym samym ewentualność wnikania wody w ścianę zapory, eliminując przy tym możliwość katastrofalnego uszkodzenia ściany. Ten przykład wykonania zwiększa bezpieczeństwo konstrukcji ściany zapory od strony dopływu. Po ostatecznym zamknięciu kopalni odpady w obrębie zapory ograniczającej będą odwodnione, a obiekt składowania będzie porównywalny z nienasyconą glebą za stabilnym zboczem oporowym.

W innym przykładzie wykonania nadmiar piasku resztkowego można wykorzystać do zbudowania wewnętrznych i zewnętrznych obwałowań z piasku resztkowego. Obwałowania te można dalej podzielić, tworząc oddzielne pola ograniczające dla struktury. Pole wypełnia się następnie przez hydrauliczne osadzanie odpadów do odpowiedniej wysokości, a woda może spływać do leżących pod nimi kanałów piasku resztkowego i na zewnątrz poprzez przepuszczalne obwałowania z piasku resztkowego do punktu odpływu wody. Następnie powtarza się cały sposób umieszczania kanałów piasku resztkowego i podnoszenia obwałowań, tworząc ostatecznie pożądaną wysokość i kształt formy terenu z piasku resztkowego i odpadów.

Podejście uwzględniające pola umożliwia ukształtowanie obwałowań do składowania pozostałości tak, aby były dopasowane do obszarów i terenu podlegającego rehabilitacji. Dla przykładu na stabilną formę terenu można przywrócić roślinność celem rehabilitacji obszaru powydobywczego lub w celu innego zastosowania, które będzie użyteczne lub wyglądające estetycznie dla lokalnej społeczności.

W obu przykładach wykonania woda jest zbierana zarówno ze spływu powierzchniowego podczas osadzania hydraulicznego, jak i z punktów odpływu kanałów piasku resztkowego. Woda może być następnie pompowana do odpowiedniego obiektu składowania wody do ponownego użycia lub utylizacji.

Podczas budowy ciągłe kanały piasku resztkowego osadza się na całej powierzchni warstwy odpadów. Naturalne nachylenie nasypu właściwe dla odpadów, na przykład 0,5%, zapewnia odpowiednie nachylenie dla późniejszego przepływu grawitacyjnego wody przez kanał piasku resztkowego. Górna powierzchnia osadzanych kanałów piasku resztkowego nie musi być równoległa do dolnej powierzchni, która jest tworzona pod kątem nasypu osadzanych odpadów.

Ciągłe kanały piasku resztkowego mogą również przybierać różne formy.

W jednym przykładzie wykonania piasek resztkowy może być osadzany w oddzielnych rzędach piasku resztkowego oddalonych od siebie o kilka metrów i pokrywających około 20% obszaru odpadów lub w innym przykładzie wykonania piasek resztkowy jest osadzany tak, że kanały są połączone i tworzą dlatego kompletną, ale niekoniecznie jednolitą warstwę piasku resztkowego na całej powierzchni odpadów.

Kluczowym elementem projektowania w obu przykładach wykonania jest ciągłość kanałów piasku resztkowego, aby umożliwić swobodny drenaż poprzez kanał piasku resztkowego do punktu odpływu wody.

Możliwe są również zmienne głębokości zarówno kanałów piasku resztkowego, jak i warstw odpadów w strukturze.

Korzystny projekt dla konkretnej kopalni będzie funkcją przewodności hydraulicznych piasku resztkowego i drobnych odpadów oraz terenu przeznaczonemu do wypełnienia.

Głębokość piasku resztkowego w każdym kanale będzie zwykle większa niż 0,05 m i korzystnie większa niż 0,5 m, aby zapewnić odpowiednie szybkości drenażu poprzez piasek resztkowy do punktu odpływu i uniknąć „namulania” kanału piasku resztkowego. Tę głębokość kanału piasku resztkowego można łatwo uzyskać dzięki ograniczeniu ilości piasku resztkowego wytworzonego przez wzbogacanie frakcji grubych i nie ma ograniczenia co do górnej granicy głębokości piasku resztkowego w kanale.

Głębokość każdej warstwy odpadów będzie zależna od przewodności hydraulicznej odpadów i czasu dostępnego przed dodaniem następnej warstwy odpadów. Szybkość konsolidacji jest funkcją przewodności hydraulicznej i w większości przykładów wykonania określa ona minimalny dopuszczalny czas drenażu odpadów przed dodaniem następnego zestawu kanałów piasku resztkowego. Ta z kolei wyznacza maksymalną szybkość wzrostu struktury, która może działać bez potrzeby w pełni rozplanowanej ściany zapory ograniczającej.

Ze względu na nacisk leżących powyżej odpadów woda może przepływać do kanałów piasku resztkowego znajdujących się powyżej lub poniżej lub z boku odpadów.

W przypadku typowych odpadów z zasobów miedzi minimalna odległość od dowolnego punktu w odpadach do najbliższego kanału piasku resztkowego będzie zwykle wynosić między 1-4 metrów. Jednakże w przypadku drobniejszych odpadów, gdzie pożądane jest szybkie odwadnianie, można zmniejszyć głębokość warstwy odpadów. W odwrotnym przypadku dla odpadów, które dają się łatwiej odwadniać, optymalna głębokość warstwy odpadów może wzrosnąć do powiedzmy 10 m lub nawet więcej.

Zwykle projekt struktury będzie taki, że przez większość okresu odwadniania szybkość usuwania wody będzie ograniczana migracją w obrębie warstwy odpadów, a nie przemieszczaniem się poprzez kanały piasku resztkowego do punktu spływu.

Aby zapewnić ciągłość kanałów piasku resztkowego, jedną z możliwych alternatyw jest osadzanie tych kanałów piasku resztkowego w wielowarstwowej konstrukcji przekładanej i ograniczanie ich ścianą z piasku resztkowego, co przedstawiono schematycznie na fig. 1. Wielowarstwowa struktura przekładana zilustrowana na fig. 1 zawiera warstwy odpadów 10 oraz frakcje piasku resztkowego osadzane w kanałach 12 piasku resztkowego osadzanych pomiędzy nimi, ograniczane ścianą ograniczającą 14 z porowatego piasku resztkowego lub skały. Kanał 12 piasku resztkowego tworzy odpływ 16 dla wody, przez ścianę ograniczającą 14 porowatego piasku resztkowego, która jest gromadzona w spływie 18 dla wody. Odpady w warstwie odpadów 10A u podstawy struktury są w pełni skonsolidowane, natomiast odpady w warstwie odpadów 10B u góry są nasycone.

Zgodnie z innym przykładem według wynalazku można stworzyć serię oddzielnych poprzecznych kanałów 12 piasku resztkowego przez środek TSF. Zilustrowano to schematycznie na fig. 2A i 2B. W odniesieniu do fig. 2A, warstwy odpadowe 10 są osadzane na wierzchu porowatych kanałów 12 piasku resztkowego, z otworami dostępu powietrza 22 na kanałach 12 piasku resztkowego. Odnosząc się do fig. 2B, frakcje piasku resztkowego są osadzane w warstwach odpadów 10 w oddzielnych rzędach piasku resztkowego oddalonych od siebie o kilka metrów, tworzących tym samym oddzielne kanały 12 piasku resztkowego w warstwach odpadów 10. Odnosząc się ponownie do fig. 2A, woda 20 przepływa z warstw odpadów 10 do kanałów 12 piasku resztkowego, a następnie przepływem grawitacyjnym G z końca osadzania D do końca odzyskiwania wody W struktury wielowarstwowej.

Trzeci alternatywny przykład według wynalazku uwzględnia dodatkowe zastosowanie pionowych drenów punktowych łączących wzajemnie kanały lub warstwy piasku resztkowego w trzech wymiarach, sprzyjając szybszemu przemieszczaniu się wody poprzez piasek resztkowy, jak przedstawiono na fig. 3A i 3B. W odniesieniu do fig. 3A, warstwy odpadów 10 są osadzane na wierzchu porowatych kanałów 12 piasku resztkowego, z otworami dostępu powietrza 22 na kanałach 12 piasku resztkowego. Odnosząc się do fig. 3B, frakcje piasku resztkowego są osadzane w oddzielnych rzędach piasku reszt kowego oddalonych od siebie o kilka metrów, tworząc tym samym oddzielne kanały 12 piasku resztkowego, z pionowymi drenami punktowymi 24, w warstwach odpadowych 10. Odnosząc się ponownie do fig. 3A, woda 20 przepływa z warstwy odpadów 10 do kanałów 12 piasku resztkowego i pionowych drenów punktowych 24 i przepływem grawitacyjnym G z końca osadzania D do końca odzyskiwania wody W. Na końcu odzyskiwania wody W znajduje się pompa wypustowa 26 do punktu spływu 28 dla wody z wielowarstwowej struktury. Ta struktura 3D jest szczególnie użyteczna dla bardzo dużych obszarów osadzania odpadów lub tam, gdzie kanały piasku resztkowego są cienkie i gdzie czas potrzebny na poprzeczny przepływ wody poprzez kanały piasku resztkowego do punktu spływu wody może być zbyt długi. Pionowe dreny punktowe 24 ułatwiają drenaż w dół przez hałdę i przez wiele kanałów 12 piasku resztkowego do frakcji piasku resztkowego u podstawy hałdy, z której można następnie usunąć wodę za pośrednictwem punktu spływu 28 dla wody.

Dla każdego z możliwych projektów geometrycznych efektywna powierzchnia filtracyjna dla odwadniania odpadów do kanałów piasku resztkowego jest duża w porównaniu z dowolnym ewentualnym sposobem filtracji mechanicznej.

W kolejnym zestawie przykładów wykonania osadzanie kanałów piasku resztkowego na warstwie odpadów można przeprowadzić za pomocą alternatywnych środków.

Kanały piasku resztkowego można umieszczać hydraulicznie, kiedy woda nośna osadza swój piasek resztkowy, a następnie swobodnie spływa do najniższego punktu do odzyskiwania. Niska przewodność hydrauliczna leżących pod spodem odpadów minimalizuje wszelki wpływ umieszczania hydraulicznego na całkowitą zawartość wody w odpadach częściowo odwodnionej struktury leżącej pod spodem.

Stopniowe umieszczanie kurków lub hydraulicznych rozsiewaczy piasku w strategicznych punktach na przestrzeni dużego TSF umożliwia hydrauliczne pokrycie leżącej pod spodem warstwy odpadowej przy naturalnym kącie tworzenia plaży właściwym dla piasku resztkowego. Gdy plaża piasku resztkowego ma pożądaną głębokość, kurek osadzający lub hydrauliczny rozsiewacz piasku jest przesuwany, aby utworzyć kolejną część wzajemnie połączonej sieci kanałów piasku resztkowego. Kanały piasku resztkowego ułożone jako ostatnie zapewniają niezbędną stabilność podłoża dla sprzętu potrzebnego do przemieszczania kurków lub hydraulicznego rozsiewacza piasku. Trwałe osadzanie odpadów może być kontynuowane w innych obszarach TSF, tak że odpady są ostatecznie osadzane obok kanałów piasku resztkowego i nad nimi.

Takie hydrauliczne rozsiewacze piasku są dostępne w sprzedaży. Piasek resztkowy o wielkości cząstek p80 350 mikronów i zawartości wody około 40% ciał stałych może być wyrzucany na odległość około 50 m celem osadzenia kanałów piasku resztkowego.

Alternatywnie osadzanie piasku resztkowego może być wykonywane mechanicznie, na przykład przez ciężarówki i spycharki lub mechaniczne rozsiewacze piasku.

Po uformowaniu kanały piasku resztkowego pokrywane są warstwą odpadów, osadzanych hydraulicznie przy minimalizowaniu poruszania kanałów piasku resztkowego we wczesnych etapach osadzania odpadów.

W przypadku każdego sposobu osadzania bezpieczny dostęp do powierzchni odpadów z najświeższej warstwy jest korzystny dla ułatwienia osadzania kanałów piasku resztkowego.

W tym celu całkowity obszar odpadów można podzielić na pola, tak aby osadzanie odpadów mogło zachodzić do pierwszego pola, podczas gdy z drugiego pola odprowadzana jest woda powierzchniowa celem przygotowania do mechanicznego umieszczenia piasku resztkowego. Ten drenaż można przyspieszyć z pomocą sprzętu, takiego jak Amphirol (patrz Kevin McMahon, Bauxite Residue Disposal Area Rehabilitation). Na trzecim polu P3 odbywa się osadzanie piasku resztkowego. Przykład przedstawiono schematycznie na fig. 4A i 4B. W odniesieniu do fig. 4A w tym przykładzie wykonania są trzy pola P1, P2 i P3. Na polu P1 osadzany jest piasek resztkowy i wznoszone są obwałowania. Na polu P2 spływa woda i przygotowywana jest stabilna powierzchnia odpadów, a na polu P3 osadzane są warstwy odpadów 10. W odniesieniu do fig. 4B struktura zawiera warstwy odpadów 10, porowate kanały 12 piasku resztkowego z otworami dostępu powietrza 22 oraz odpływy wody 20 z kanałów 12 piasku resztkowego. Odnosząc się ponownie do fig. 4A, woda powierzchniowa 30 odzyskiwana jest na polu P3, woda powierzchniowa i kanałowa 32 odzyskiwana jest na polu P2, a woda kanałowa 34 odzyskiwana jest na polu P3. Po zakończeniu cyklu osadzania lub drenażu na każdym polu czynności można kolejno zmieniać.

Jeszcze inną alternatywę umieszczania stosuje się zwykle tam, gdzie powierzchnia subakwalnych usuniętych odpadów jest „zalana”. Amfibia osadza piasek resztkowy, który spada poprzez leżącą nad nimi wodę do powierzchni odpadów, tworząc kanały piasku resztkowego. Po utworzeniu ciągłego kanału piasku resztkowego do punktu zbierania, piasek resztkowy można pokryć następną warstwą odpadów. Po ułożeniu odpady tworzą uszczelnienie od wody na powierzchni zapory, zatopiony kanał piasku resztkowego może być odwodniony wraz z jego warstwą odpadów leżącą pod nim i nad nim.

Choć alternatywa ta nie uzyskuje pełnego odwadniania, to zwiększa gęstość leżących pod spodem odpadów subakwalnych.

We wszystkich przykładach wykonania w obrębie spiętrzonych warstw odpadów i piasku resztkowego woda porowa z odpadów jest skutecznie filtrowana na styku odpadów i złoża piasku resztkowego, oczyszczającego wodę do ponownego użycia lub usunięcia.

Są również przykłady wykonania, w których struktura jest wykorzystywana do osiągnięcia celów dodatkowych w stosunku do podstawowych celów odzyskiwania wody w stabilnej postaci.

Do obiektu mogą być włączone nowoczesne techniki wykrywania, takie jak światłowody i technologia teledetekcji za pośrednictwem dronów, do monitorowania zawartości wilgoci w obiekcie w czasie rzeczywistym, zapewniające pewien stopień pewności co do geotechnicznej integralności.

Ta ulepszona kontrola oznacza, że obszar osadzania odpadów można również zaprojektować jako bufor magazynowania wody, dostosowując poziom szybkości rekultywacji wód z punktów spływu.

W drugim przykładzie wykonania tego typu wynalazek może być stosowany do zasypywania obszarów, na których skończono wydobycie lub na których ma być utworzony określony krajobraz do zastosowań estetycznych lub praktycznych. Przykładem może być wmieszanie się w naturalną topografię lub tworzenie gruntów rolnych, lub tworzenie obszarów rekreacyjnych do użytku przez lokalną społeczność.

Wynalazek można również stosować do uzupełnienia istniejących praktyk TSF lub do stabilizacji dawnych TSF. Krytyczne obszary w dawnych TSF znajdują się w sąsiedztwie i w obrębie ścian zapory, gdzie strefy nienasyconych odpadów mogą spowodować uszkodzenie ściany zapory, która następnie uwalnia duże ilości ograniczanych sobą odpadów.

Nadmiar piasku resztkowego ze wzbogacania frakcji grubych można selektywnie umieszczać w kanałach odwadniających poprzez dawny TSF, na przykład przez wiercenie i zasypywanie otworu przepuszczalnym piaskiem resztkowym. Poprzez odwadnianie tych kanałów można zmniejszyć zawartość wody w odpadach w pobliżu ściany.

Jeśli w dawnym TSF pożądane jest odwadnianie i zagęszczanie w szerszym zakresie, kurtynę piasku resztkowego drenów punktowych można powielić w trzecim wymiarze, z dala od ściany zapory.

W przypadku funkcjonującego TSF kanały piasku resztkowego opisane w wynalazku można po prostu układać w kanałach odwadniających zlokalizowanych w pobliżu ściany. Dzięki „dwuwymiarowej kurtynie” kanałów piasku resztkowego odprowadzających ciecz na zasadzie zjawiska kapilarnego w pobliżu ściany zapory woda będzie przepływać z wszelkich nienasyconych stref do punktu spływu wody, skąd można ją usunąć z TSF. Wynalazek może zatem odwodnić strefę najbardziej wrażliwą dla bezpieczeństwa zapory odpadów, umożliwiając bezpieczne wykorzystanie sposobów budowy zapory od strony dopływu.

Jak wspomniano powyżej, korzystnym sposobem wzbogacania frakcji grubych jest flotacja cząstek grubych (CPF).

W przypadku sposobu flotacji cząstek grubych:

rudę kruszy się w urządzeniu rozdrabniającym;

pokruszoną rudę klasyfikuje się w urządzeniu klasyfikującym, otrzymując sklasyfikowaną frakcję odpowiednią do dalszego rozdrabniania, sklasyfikowaną frakcję odpowiednią do flotacji frakcji grubych oraz sklasyfikowaną frakcję odpowiednią do flotacji frakcji drobnych;

frakcję odpowiednią do flotacji frakcji grubych poddaje się flotacji frakcji grubych, otrzymując pośredni koncentrat oraz pozostałość stanowiącą gruby piasek resztkowy;

pozostałość stanowiącą gruby piasek resztkowy stosuje się jako frakcję piasku resztkowego do tworzenia ciągłych kanałów poprzez frakcję odpadów;

pośredni koncentrat miele się do wielkości odpowiedniej do flotacji frakcji drobnych;

sklasyfikowaną frakcję odpowiednią do flotacji frakcji drobnych i zmieloną frakcję pośrednią poddaje się następnie flotacji frakcji drobnych, otrzymując odpady drobne, które są zagęszczane i osadzane zgodnie z powyższym opisem.

Dzięki temu sposobowi wzbogacania frakcji grubych utrzymane zostają wysokie odzyski składnika użytecznego rudy i tworzy się odpowiednią ilość i wielkość pozostałości stanowiącej piasek resztkowy.

KORZYŚCI Z WYNALAZKU

Korzyści z wynalazku można porównać albo do filtrowania i suchego spiętrzania, albo do konwencjonalnego sposobu TSF usuwania odpadów.

W ciepłym i bardzo suchym klimacie suche spiętrzanie odpadów przeprowadzano, układając hydraulicznie cienkie warstwy (zwykle mniej niż 30 cm) nierozdzielnych odpadów z zagęszczacza dużej gęstości lub zagęszczacza pastowego (ang. paste thickener), a następnie pozostawiając je do wyschnięcia przez okres tygodni z wykorzystaniem procesów odparowywania, przed dodaniem kolejnej cienkiej warstwy odpadów. Przy zastosowaniu tej techniki woda nie jest odzyskiwana, a wysokość struktury jest ograniczona. Przy zastosowaniu sposobu według wynalazku można uzyskać wielowarstwową strukturę odpadów o kilkudziesięciu metrach wysokości, ponad 50 m lub ponad 100 m wysokości.

Innym sposobem suchego spiętrzania jest filtrowanie odpadów do dopuszczalnej zawartości wody (zwykle około 15% wagowych), następnie mechaniczne przenoszenie ciał stałych do obszaru usuwania i spiętrzanie częściowo odwodnionych odpadów. Techniką tą odzyskuje się większość wody, ale jest ona kapitałochłonna, a przefiltrowane odpady są nadal podatne na „ekstrudowanie”, jeśli szybkości parowania są niewystarczające. Takie przefiltrowane odpady wymagają dużych obszarów płaskich gruntów lub umieszczenia ich w obrębie konstrukcji zapory mieszczącej w sobie przefiltrowane odpady.

W stosunku do każdego ze sposobów suchego spiętrzania wynalazek oferuje wiele korzyści. Obejmują one niskokosztowe hydrauliczne umieszczanie odpadów; odzyskiwanie większości wody; większą szybkość wzrostu spiętrzenia; oraz stabilność geotechniczną wymaganą do budowy wyższej struktury pozostałości oraz sposób, który jest mniej wrażliwy na zmiany operacyjne i klimatyczne.

Wynalazek zapewnia również wiele korzyści w stosunku do konwencjonalnego TSF.

Podstawową korzyścią jest redukcja całkowitego zużycia wody. Woda porowa zawarta w odpadach jest główną postacią utraty wody w każdej kopalni. W zależności od strat wynikających z parowania zużycie wody w odpadach przy zastosowaniu wynalazku zostanie zmniejszone o co najmniej połowę, a bardziej prawdopodobne zmniejszone do około 20% utraty wody konwencjonalnego TSF. Zwłaszcza w obszarach niedoboru wody stwarza to możliwość projektowania i eksploatacji kopalni o znacznie niższym zużyciu wody na jednostkę wydobycia metalu.

Drugą główną korzyścią jest wysokość nienasyconych odpadów, jaka występuje w danym momencie podczas osadzania, eliminująca możliwość uszkodzenia ściany i katastrofalnego upłynnienia zawartej masy odpadów. Ta możliwość wytwarzania nienasyconych odpadów zmniejsza obszar lądowy, który ostatecznie zostanie naruszony celem umieszczenia pozostałości, a w przypadku niektórych kopalń pozwala na umieszczenie składowiska odpadów w miejscu znacznie bliżej zakładu przetwórczego. Pozwala również na bezpieczniejsze stosowanie obwałowań ograniczających od strony dopływu.

Trzecią korzyścią jest trwale stabilny obiekt odpadów wydobywczych. Zawartość wilgoci i charakterystyka drenażowa według wynalazku umożliwiają dostęp do powierzchni struktury i przywrócenie na niej roślinności. Ciecz z odpadów będzie odprowadzona wystarczająco, aby zachowywały się one podobnie do innych nienasyconych gleb wokół kopalni. Zawartość siarczków zostanie zredukowana w pozostałości stanowiącej piasek resztkowy przez wzbogacanie frakcji grubych. Pod koniec okresu eksploatacji kopalni wszelką dalszą ewentualność kwaśnych wód kopalnianych z odpadów można wyeliminować przez zamknięcie dostępu powietrza do kanałów piasku resztkowego w odpadach.

Czwartą korzyścią jest możliwość zasypania obszarów powydobywczych. W przypadku wydobywania odkrywkowego umożliwi to sekwencyjny proces wydobywania i rozmieszczania kanałów piasku resztkowego oraz warstw odpadów 10 na obszarach, gdzie ukończono wydobycie w przeszłości lub niedawno. W przypadku głębokiej eksploatacji odkrywkowej istnieje możliwość odzyskania i zastąpienia piasku resztkowego i odpadów, które były oddzielnie składowane, do wyczerpanego wyrobiska pod koniec okresu eksploatacji kopalni.

Piątą korzyścią jest możliwość hydraulicznego osadzania odpadów, a prawdopodobnie także piasku resztkowego i odpadów, bez uprzedniej filtracji i przenoszenia, i uzyskania przy tym „suchego, wodoszczędnego” składowania odpadów. Kapitał i koszty operacyjne osadzania hydraulicznego umożliwionego dzięki wynalazkowi są znacznie niższe niż filtracji i spiętrzania przy użyciu przenośników lub ciężarówek.

PL 249983 Β1

Szóstą korzyścią jest wytwarzanie wartościowej formy terenu przy jednoczesnym usuwaniu pozostałości wydobywczych w sposób bezpieczny i przyjazny dla środowiska. Może ono przybrać formę odtworzenia pierwotnej flory lub gruntów rolnych lub rekreacyjnych, lub po prostu bardziej estetycznych form terenu.

Siódmą korzyścią jest elastyczność w lokalizowaniu składowania odpadów na terenach sąsiadujących z zakładem przetwórczym zamiast znajdowania odpowiedniej doliny do usuwania odpadów w konwencjonalnym obiekcie unieszkodliwiania odpadów wydobywczych. Dzięki temu eliminuje się kosztowną ścianę ograniczającą odpady, która musi być zaprojektowana tak, aby utrzymywała ulegający upłynnieniu muł płuczkowy wieczyście.

Ósmą korzyścią jest wykorzystanie części kanałów piasku resztkowego do składowania wody do późniejszego wykorzystania, a tym samym buforowanie sezonowych zmian klimatu lub innych zmian w zakresie dostępu do wody.

CZEŚĆ DOŚWIADCZALNA

Przeprowadzano doświadczenia celem odzyskania składników użytecznych przy zastosowaniu połączenia flotacji cząstek grubych oraz flotacji, a tym samym wytworzenia frakcji pozostałości stanowiącej piasek resztkowy z flotacji cząstek grubych oraz frakcji odpadów z flotacji chilijskiej rudy miedzi i południowoafrykańskiej rudy PGM.

W przypadku obu rud badania flotacji cząstek grubych przeprowadzono przy wielkości mielenia, przy której ogólny odzysk metalu był porównywalny z tym uzyskiwanym przez drobniejsze mielenie i konwencjonalną flotację.

25% rudy PGM odzyskano we frakcji piasku resztkowego i 35% Cu odzyskano jako piasek resztkowy.

Rozkład wielkości dwóch frakcji, przedstawiony poniżej, ilustruje skuteczne usuwanie cząstek drobnych ze składnika stanowiącego piasek resztkowy, które zachodzi podczas flotacji cząstek grubych, co skutkuje wysoką przepuszczalnością obu piasków resztkowych.

Względność wielkości dwóch frakcji spełnia „kryterium filtracyjne Terzaghiego” dla współistnienia jako odrębne strefy, bez ograniczania przepuszczalności piasku resztkowego przez infiltrację nadmiernych cząstek drobnych w odpadach.

	Wielkości rudy Cu (mikrony)	Wielkości rudy PGM (mikrony)
p80 piasku resztkowego	600	280
plO piasku resztkowego	150	120
p80 odpadów	200	100
plO odpadów	3	3
	Przepuszczalność rudy Cu (m/s)	Przepuszczalność rudy PGM (m/s)
Odpady	4.4*10Λ-7	7,2*10Λ-8

Przeprowadzono badania edometrem, osiadania z odprowadzaną cieczą, konsolidacji i zmiennego gradientu w celu scharakteryzowania obu składników, piasku resztkowego i odpadów, obu rud.

Wpływ wskaźnika porowatości odpadów miedzianych na przepuszczalność, jaki uzyskano podczas tych badań, przedstawiono na fig. 5.

Wyniki badań dla obu systemów modelowano celem obliczenia maksymalnej grubości warstwy odpadów, jaką można umieszczać, przy zachowaniu dopuszczalnego czasu konsolidacji dla hydraulicznie suchego spiętrzania struktury.

Modelowanie to pokazuje, że 90% konsolidacja powinna nastąpić w ciągu 3 miesięcy, dla warstwy odpadów miedzianych o grubości 3 m i dla warstwy odpadów PGM o grubości 10 m.

Trwałe odwadnianie spowoduje utratę nasycenia piasku resztkowego i odpadów, przekształcając strukturę w stabilną geotechnicznie glebę.

Przeprowadzono również trójwymiarowe badanie pilotażowe na większą skalę celem potwierdzenia modelowania laboratoryjnego.

Trzy warstwy odpadów o grubości 0,35 m i 2 warstwy piasku resztkowego 0,2 m z odpadów PGM umieszczono w kwadratowym zbiorniku Perspex o 1 m² i pozostawiono do odwodnienia z 4 punktów odpływu zlokalizowanych na każdej krawędzi każdej warstwy piasku resztkowego. Mierzono szybkość konsolidacji, ciśnienie porów, zawartość wody i szybkość odpływu, aby potwierdzić modelowanie na nieco większą skalę.

Badanie na większą skalę wykazało możliwość utrzymania odpadów w odrębnych strefach podczas osadzania.

Badanie to wykazało również odwadnianie sąsiednich odpadów do warstwy piasku resztkowego i migrację do punktów odpływu wody w celu uzyskania szybkości konsolidacji zgodnych z powyższym modelowaniem.

Woda odzyskana z warstwy piasku resztkowego była wolna od mułu.

LITERATURA

1. Proceedings Tailings and Mine Waste 2015 Vancouver, BC, 26-28 października 2015 r.

2. WO2018/234880

3. WO2017/195008

4. US3767050A

5. ICOLD (Międzynarodowa Komisja Wielkich Zapór) 121 (2001), Tailings Dams Risk of Dangerous Occurrences (rozdział 2, strona 17 - „Filtrujący system drenażu spodniego jest istotnym obiektem często pomijanym w przeszłości, co skutkowało niebezpiecznie dużymi powierzchniami freatycznymi w obrębie bryły zapory składowiska odpadów. Jak dobrze wiadomo, zewnętrzne zbocza zapory odpadów są bardzo wrażliwe na poziom powierzchni freatycznej. Wzrost kapilarny powyżej zmierzonej pozycji powierzchni freatycznej może sprawić, że odpady w tej strefie będą bliskie pełnego nasycenia. Stan ten może powodować nieoczekiwanie duże wzrosty powierzchni freatycznej z powodu wyjątkowo małych opadów deszczu.”)

6. US 9188389 B2

7. Kevin McMahon, Bauxite Residue Disposal Area Rehabilitation, Travaux 46, Materiały z 35. Międzynarodowej Konferencji ICSOBA, Hamburg, Niemcy, 2-5 października 2017 r.

Claims (36)

1. Sposób usuwania pozostałości z rozdrabniania i przetwarzania rud i odzyskiwania wody z przetwarzania, obejmujący etapy:

klasyfikuje się pozostałości z przetwarzania na przepuszczalną dla wody frakcję piasku resztkowego zawierającą cząstki piasku resztkowego o p80 wyższej niż 150 mikronów, oraz frakcję odpadów zawierającą cząstki piasku resztkowego o p80 niższej niż 150 mikronów, osadza się frakcję odpadów z kątem tworzenia plaży wynoszącym 0,5% do 2%, oraz frakcję piasku resztkowego z utworzeniem wielowarstwowej struktury ograniczanej przez co najmniej jedną ścianę ograniczającą (14), przy czym frakcję piasku resztkowego osadza się w kanałach (12), a warstwę odpadów (10) osadza się hydraulicznie, tak że frakcja piasku resztkowego tworzy ciągłe kanały (12) poprzez warstwę odpadów (10), znamienny tym, że:

do kanałów (12) piasku resztkowego dostarcza się powietrze poprzez otwory dostępu powietrza (22) kierując przepływem grawitacyjnym (G) wodę (20) zawartą w warstwie odpadów (10) i kanałach (12) piasku resztkowego poprzez kanały (12) piasku resztkowego do punktów odpływu (16) dla wody; oraz odzyskuje się wodę (20) z punktów odpływu (16) dla wody.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że pozostałości z przetwarzania klasyfikowane do frakcji piasku resztkowego to cząstki piasku resztkowego o p80 wyższej niż 300 mikronów.

3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że pozostałości z przetwarzania klasyfikowane do frakcji piasku resztkowego to cząstki piasku resztkowego o p80 wyższej niż 400 mikronów.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że frakcja piasku resztkowego swobodnie odprowadza ciecz.

5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że woda (20) spływa pod wpływem siły ciężkości z frakcji piasku resztkowego, tworząc nienasycony piasek resztkowy.

6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że nienasycony piasek resztkowy zawiera mniej niż 15% wagowych wody.

7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że frakcję odpadów traktuje się chemicznymi dodatkami przed osadzeniem, aby utworzyć bardziej przepuszczalną warstwę odpadów (10) lub zmienić naturalny kąt tworzenia plaży.

8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że pozostałość z przetwarzania jest klasyfikowana w taki sposób, że co najmniej 50% piasku resztkowego ma zakres wielkości cząstek od 0,1 do 1 mm.

9. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że pozostałość z przetwarzania jest klasyfikowana w taki sposób, że co najmniej 70% piasku resztkowego ma zakres wielkości cząstek od 0,1 do 1 mm.

10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że pozostałość z przetwarzania jest klasyfikowana w taki sposób, że co najmniej 90% piasku resztkowego ma zakres wielkości cząstek od 0,1 do 1 mm.

11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że pozostałość z przetwarzania jest klasyfikowana w taki sposób, że piasek resztkowy zawiera mniej niż 25% materiału poniżej 0,75 mm.

12. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że pozostałość z przetwarzania jest klasyfikowana w taki sposób, że piasek resztkowy zawiera mniej niż 15% materiału poniżej 0,75 mm.

13. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że pozostałość z przetwarzania jest klasyfikowana w taki sposób, że piasek resztkowy zawiera mniej niż 10% materiału poniżej 0,75 mm.

14. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ściana ograniczająca (14) utworzona na końcu struktury będącym końcem odzyskiwania wody (W) jest przepuszczalna dla wody i woda spływa z punktów odpływu (16) dla wody poprzez ścianę ograniczającą (14).

15. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ściana ograniczająca (14) utworzona na końcu struktury będącym końcem odzyskiwania wody (W) nie jest przepuszczalna dla wody i woda jest usuwana ze struktury przez pompowanie z centralnego punktu odpływu (16) dla wody.

16. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że kanały (12) piasku resztkowego umieszcza się tak, że maksymalna odległość od dowolnego punktu w odpadach do najbliższego kanału (12) piasku resztkowego jest mniejsza niż 10 metrów.

17. Sposób według zastrz. 16, znamienny tym, że kanały (12) piasku resztkowego umieszcza się tak, że maksymalna odległość od dowolnego punktu w odpadach do najbliższego kanału (12) piasku resztkowego jest mniejsza niż 3 metry.

18. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że kanały (12) piasku resztkowego umieszcza się tak, że maksymalna odległość od dowolnego punktu w odpadach do najbliższego kanału (12) piasku resztkowego jest mniejsza niż 2 metry.

19. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że kanały (12) piasku resztkowego łączy się pionowo i poprzecznie, tworząc 3-wymiarową matrycę przepuszczalnych kanałów w obrębie odpadów.

20. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że frakcje odpadów osadza się hydraulicznie, aby zapewnić kąt tworzenia plaży wynoszący 0,5% do 1%.

21. Sposób według zastrz. 20, znamienny tym, że frakcje odpadów osadza się hydraulicznie, aby zapewnić kąt tworzenia plaży wynoszący 0,5%.

22. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że frakcje piasku resztkowego oraz frakcje odpadów osadza się kolejno warstwami, tworząc warstwy odpadów (10), które mają 1 do 10 m grubości i kanały (12) piasku resztkowego, które mają 0,05 do 2 m grubości.

23. Sposób według zastrz. 22, znamienny tym, że frakcje piasku resztkowego oraz frakcje odpadów osadza się kolejno warstwami i kanały (12) piasku resztkowego mają grubość między 0,05 a 2 m.

24. Sposób według zastrz. 23, znamienny tym, że frakcje piasku resztkowego oraz frakcje odpadów osadza się kolejno warstwami i kanały (12) piasku resztkowego mają grubość między 0,2 a 1 m.

25. Sposób według zastrz. 24, znamienny tym, że frakcje piasku resztkowego oraz frakcje odpadów osadza się kolejno warstwami i kanały (12) piasku resztkowego mają grubość między 0,3 a 0,7 m.

26. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że frakcje piasku resztkowego osadza się w oddzielnych rzędach oddalonych od siebie, a frakcje odpadów osadza się kolejno warstwami, tworząc warstwy odpadów (10), które mają 1 do 10 m grubości, i kanały (12) piasku resztkowego, które mają 0,05 do 2 m grubości, i są oddalone od siebie o 2 do 10 m.

27. Sposób według zastrz. 26, znamienny tym, że frakcje piasku resztkowego osadza się w oddzielnych rzędach oddalonych od siebie, a frakcje odpadów osadza się kolejno warstwami, tworząc warstwy odpadów (10), które mają 1 do 10 m grubości, i kanały (12) piasku resztkowego, które mają 0,05 do 1 m grubości, i są oddalone od siebie o 2 do 5 m.

28. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że frakcje piasku resztkowego osadza się tak, aby utworzyć pionowe dreny punktowe (24) w warstwach odpadów (10) między górnymi i dolnymi kanałami (12) piasku resztkowego.

29. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że frakcje piasku resztkowego stosuje się do zbudowania wewnętrznych i zewnętrznych przepuszczalnych obwałowań z piasku resztkowego i obwałowania dzieli się dalej, tworząc oddzielne pola ograniczające i każde pole wypełnia się następnie przez hydrauliczne osadzanie warstwy odpadów (10) do odpowiedniej wysokości i umożliwia wodzie (20) spływanie do leżących pod nimi kanałów (12) piasku resztkowego i na zewnątrz poprzez przepuszczalne obwałowania z piasku resztkowego do punktu spływu (28) dla wody.

30. Sposób według zastrz. 29, znamienny tym, że podczas osadzania warstw tylko trzy górne warstwy odpadów (10) są nasycone wodą.

31. Sposób według zastrz. 30, znamienny tym, że podczas osadzania warstw tylko dwie górne warstwy odpadów (10) są nasycone wodą.

32. Sposób według zastrz. 31, znamienny tym, że podczas osadzania warstw tylko górna warstwa odpadów (10) jest nasycona wodą.

33. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że frakcje piasku resztkowego wytwarza się w sposobie wzbogacania frakcji grubych, a warstwę odpadów (10) wytwarza się w konwencjonalnej flotacji rudy.

34. Sposób według zastrz. 33, znamienny tym, że sposobem wzbogacania frakcji grubych jest flotacja cząstek grubych, przesiewanie, separacja grawitacyjna, separacja elektrostatyczna i separacja magnetyczna.

35. Sposób według zastrz. 34, znamienny tym, że sposobem wzbogacania frakcji grubych jest flotacja cząstek grubych.

36. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że frakcje piasku resztkowego wytwarza się w ługowaniu hałd piasku resztkowego, a warstwę odpadów (10) wytwarza się w konwencjonalnym ługowaniu agitacyjnym.