Мировые тренды в обогащении и переработке твёрдых полезных ископаемых

Человечество формировало технологии обогащения и переработки твёрдых полезных ископаемых очень долго. Начало всему положил интерес наших предков к золоту и меди. Как пишет в своей работе «Краткая история развития обогащения полезных ископаемых» профессор Елена Назименко, ещё древние люди вручную добывали ценные металлы из россыпей, определяя более качественные фрагменты на вес. Уже в V веке добычу облегчили приспособления из дерева и бараньих шкур.

В 1763 году вклад в развитие обработки ископаемых внёс Михаил Ломоносов, выпустив работу «Первые основания металлургии или рудных тел». В конце XIX столетия появились сепарация руды на сотрясательных столах, а следом — способ разделения минералов в растворах солей хлористых железа и кальция. А вскоре братья Бессель представили прообраз современного пенного флотационного процесса, который позволил извлечь графит из руды.

Добытчики того времени стремились получать материалы максимальной ценности, и их усилия оказались не напрасны — сегодня мы в самом деле извлекаем из недр земли лучшее сырьё. Но мало кто из деятелей прошлого задумывался в то время о том, что запасы полезных ископаемых начнут истощатся. А мы, продвинутые потомки, отчасти вернёмся к исходной точке, например начнём работать с месторождениями низкокачественных руд.

Во-первых, потому что этого будут требовать обстоятельства и ESG-принципы, и, во-вторых, потому что технологии обогащения и переработки достигнут такого уровня, что позволят получать полезные соединения из отходов добывающей промышленности. Это один из мировых трендов в обогащении твёрдых полезных ископаемых (ТПИ).

Поговорим подробнее о нём и о других тенденциях переработки руд.

Разработка низкокачественных месторождений и сепарация

На MINEX Kazakhstan — 2024 теме обогащения и переработки посвятили отдельную сессию, где технический директор консалтинговой компании в горной отрасли Wardell Armstrong International Ltd. Алан Кларк отметил, что «разработка бедных месторождений полезных ископаемых становится всё более распространённой в связи с постоянным истощением минеральных ресурсов и растущим спросом на них».

Если выйти за рамки мероприятия, то можно заметить, что в открытых источниках многие эксперты высказывают такую же мысль. Так, на сайте Центра социального проектирования «Платформа» директор горного дивизиона «Металлоинвеста» Ринат Исмагилов также добавил, что производители профильного оборудования и реагентов уже сегодня активно расширяют ассортимент решений для отработки бедных руд.

Эксперт приводит пример Михайловского ГОКа (г. Железногорск Курской области России), где долгое время не трогали залежи руды с высоким содержанием железа, так как те были труднообогатимыми — при помощи технологий прошлых лет извлекать их было нерентабельно.
Однако к 2022 году специалисты разработали и запатентовали подходящую методику и стали постепенно запускать в производство эти труднообогатимые руды. По словам Рината Исмагилова, разработанный способ ещё и повышал качество концентрата в целом.

Речь идёт о тонком мокром грохочении, когда сырьё необходимо просеять через «промышленное сито» вместе с жидкостью. А после «доизмельчить» с помощью специальных мельниц и переработать методом флотации.

Как отмечают специалисты ГОКа, предприятие перешло на совершенно другой уровень использования концентрата и окатышей. Такое сырьё не только можно использовать для домны со значительным потреблением кокса, электроэнергии и с большими выбросами, но и идти с ним напрямую в электросталелитейное производство. В какой-то степени это уже первая стадия зелёной металлургии.

В июле 2024 года появились новости о том, что специалисты Сибирского федерального университета (СФУ) вместе с коллегами Северо-Восточного федерального университета (СВФУ) и Научного центра исследований экстремального состояния организма ФИЦ КНЦ СО РАН разработали новый способ выделения золота и сурьмы из многокомпонентных руд. Как сообщается на официальном сайте сибирского вуза, вместо агрессивных химических веществ учёные применили природные штаммы бактерий, живущих в рудной пульпе.

Конечно, это достаточно сложный путь. НИОКР в подобном направлении требуют огромных ресурсов и долгого цикла экспериментов, а позволить себе это могут только очень богатые компании. Но здесь будет максимально уместна фраза «не ищем лёгких путей».

Переработка отвалов и отходов старых хвостохранилищ

В европейских странах эти процессы куда более популярны. На MINEX Kazakhstan — 2024 Алан Кларк весь свой доклад посвятил теме извлечения металлов из залежей исторических хвостохранилищ.

«Ежегодно в горнодобывающей промышленности образуется огромное количество отходов (около 8,9 миллиарда метрических тонн). По некоторым оценкам, сегодня в мире насчитывается около 8500 действующих, бездействующих и закрытых хвостохранилищ. Их содержимое — это обычно жидкая взвесь, содержащая мелкие частицы породы в воде, которые необходимо хранить или утилизировать.

Но в этом растворе, особенно в старых хвостохранилищах, может содержаться значительное количество полезных материалов. При этом на их разработку не нужно тратить никаких средств, в то время как добыча полезных ископаемых на новом месторождении может быть неэффективной. Более того, такие работы решат вопрос утилизации этих „отстойников”, и процесс будет сопровождаться не одними лишь затратами, а ещё и доходами», — уверен эксперт.

Алан Кларк также привёл примеры из практики добывающих компаний из разных стран мира.
Так, ещё в 2016 году шведские учёные провели исследование, в котором оценили потенциал редкоземельных элементов в хвостохранилищах железной руды в Кируне (Швеция) в качестве нового источника редкоземельных элементов (РЗЭ) для ЕС.

Они обнаружили, что в таких «бассейнах» содержится апатит, который, в частности, является сырьём для производства редких металлов. Несмотря на то, что было трудно обеспечить рентабельную добычу, хвосты показали себя как важный стратегический ресурс.

По словам технического директора консалтинговой компании Wardell Armstrong International Ltd., Китай запускал несколько проектов, направленных на извлечение редкоземельных элементов из отходов горнодобывающей промышленности, например, неодима и празеодима, необходимых для производства магнитов, используемых для питания электромобилей и ветряных турбин.

В Австралии некоторые компании, добывающие медь и серебро, обнаружили в отходах производства олово и индий. И оба этих материала можно было извлечь с использованием современных методов переработки. Это заметили и другие местные добытчики.

Вскоре компания Iluka, специализирующаяся на добыче циркония и титана, сообщила, что планирует переработать 1 млн тонн отходов, образовавшихся при добыче минеральных песков и накопленных с 1990-х годов.

Но, пожалуй, самым перспективным направлением эксперт считает добычу лития из различных низкосортных материалов.

«Новые технологии позволяют извлекать литий из низкосортных материалов (ранее выбрасываемых на свалку) на литиевых рудниках. Этот элемент также можно встретить на объектах добычи некоторых других материалов. Некоторые предприятия уже извлекают литий из хвостов обогащения бокситов с помощью кислотного выщелачивания.

Австралийско-британский горно-металлургический концерн Rio Tinto Group проводил в США разведку боратовых хвостохранилищ на золото. Но в ходе исследования специалисты обнаружили высокое содержание лития. Даже выше, чем на некоторых разрабатываемых американских проектах. Максимально эффективным методом извлечения этого лития показало себя звуковое бурение.

Все эти примеры говорят о том, что с современными технологиями можно начинать исследовать хвостохранилища, работу с которыми не проводили раньше, потому что технологии того времени не позволяли этого сделать. Или же раньше минералы, содержащиеся в этих „хвостах”, попросту не считались ценными и не подлежали рекуперации, а сегодня они стали необходимыми для множества современных производств и для перехода к экологичному обществу», — объяснил свою позицию Алан Кларк.

В открытых источниках можно найти мнение других экспертов, схожее с позицией докладчика MINEX Kazakhstan — 2024. Ещё в 2022 году руководитель проектов по рентгенорадиометрической сепарации в компании «Барс» Алексей Фоминых рассказал, как их компания сортировала отработанные шлаки «Норникеля» и, помимо никеля и меди, извлекала из этих отходов металлы палладиевых групп — более 1 грамма на тонну при изначальном их содержании 0,04 грамма на тонну.

При этом уже пустую породу тоже получилось пустить в дело: изрядная доля шлака прошла экспертизу на соответствие щебню по ГОСТу-3344-83 и использовалась для строительства дорог.
Также Ринат Исмагилов в профильной статье привёл пример Завитинского месторождения лития (Забайкальский край России), где с 1937 года добывали также и бериллий, тантал, ниобий и целый ряд элементов таблицы Менделеева.

Отвалы, сформированные за эти годы, накопились огромные. На тот момент отрабатывать «насыпи» с небольшим содержанием лития было экономически нецелесообразно. Сегодня же это становится вполне рентабельно.

Эксперты уточняют, что далеко не на всех свалках есть ценные элементы. Отвалы могут быть пустыми и не представлять ценности, но это требует проверки. Их имеет смысл разбирать ещё и потому, что и за содержание хвостохранилищ, и за безалаберность в этом вопросе нужно платить, просто в одном случае налоги, а в другом — штрафы.

Масштабная цифровизация

«Необходимо цифровизировать все критически важные элементы: оборудование, процессы, системы. Нужно настроить и запустить свои сети, облачные хранилища, инструменты. Необходимо иметь цифровые платформы для искусственного интеллекта и машинного обучения. Также немаловажным фактором является трансформация культуры, управление деятельностью обогатительной фабрики.

Всё это создаёт цифровых двойников, которые предоставляют возможность мониторинга, оптимизации процессов, возможность превентивного обслуживания», — так определил ещё один тренд генеральный директор Weir (ТОО «Веир Минералс Казахстан») Галымжан Нурланов.

Помимо цифровых двойников, эксперт сделал акцент и на ИИ. Докладчик заметил, что в современную технологичную эпоху эффективность и экологичность предприятия зависят от «умных» решений, которые, к тому же с каждым разом требуют обновления. Для изменения входных параметров требуется длительное время, и это ограничивает возможность быстрого принятия решений, соответственно, сокращает эффективность работы предприятия.

Все эти системы приходится периодически откалибровывать. Также эти системы ограничены и становятся неактуальными через 1,5-2 года. Поэтому, по мнению специалиста, чем больше некоторые компании оттягивают цифровизацию, тем быстрее снижается их эффективность.

Региональный менеджер по продажам в странах Восточной Европы, Центральной Азии и Монголии STEINERT GmbH Павел Семечко привёл более детальный пример современной работы ИИ на предприятии, специализирующемся на ТПИ. В своём выступлении он рассказал о технологии сенсорной сортировки для переработки полезных ископаемых, которая, помимо прибыли, повышает и скорость внедрения ESG-принципов.

«Технология подходит как для исследования первичной руды, так и для переработки отвалов. Информация о материале собирается и оцифровывается с использованием выбранной клиентом сенсорной программы, их бывает несколько. Вторично дроблёная руда подаётся на сенсорный сортировщик, где производится предварительное обогащение.

Также на этом этапе отсеиваются все отходы. Далее на стадию измельчения попадает уже предварительно обогащённый материал. Сами можете оценить, насколько это может быть гигантская экономия. Мы радикально снижаем потребление электроэнергии (до 34%), воды (до 44%), уменьшаем образование шламов (до 57%).

Операционные расходы в пять раз ниже, чем при тяжелосредной сепарации. Если у нас есть бедные руды, которые не вовлечены в процесс производства, мы ставим машину, и, вместо того чтобы лежать мёртвым грузом, они начинают зарабатывать деньги. Один из примеров — добыча золотоносной руды в Японии. С выходом 41% „хвостов” золота мы потеряли чуть больше 4%, а извлечение составило более 95%», — объяснил Павел Семечко.

Как уточнил эксперт, технология сенсорной сортировки позволяет решать проблему «длинных транспортных плеч». Так как методика позволяет прямо на разрезе сразу выявить и отсортировать отходы, они тут же поступают в хвостохранилище, а предварительно обогащённый материал — на фабрику. Тем самым добывающее предприятие создаёт куда меньше маршрутов, чем тогда, когда вся масса добытой руды направляется производство, где постепенно отсеивается, после чего полученные отходы вывозятся этапами.

Применение сейсморазведки при добыче ТПИ

Очень часто месторождения не только бедных, но и богатых руд представляют собой объекты со сложным геологическим строением и большой глубинной. Поэтому неудивительно, что многие компании попросту не хотят ими заниматься и вкладывать в них ресурсы.

Очень велика вероятность пробурить множество скважин, нанеся тем самым лишний вред окружающей среде, и получить минимальный выхлоп. В связи с этим на конференциях, посвящённых переработке, специалисты начинают всё чаще говорить о сейсморазведке.

Сейсмическая разведка — метод отнюдь не новый, более того — это одна из ведущих технологий в отрасли. Особенно популярна она в среде нефтяников. Технология это дорогая и сложная, но в перспективе позволяет снизить как капитальные затраты, так и количество пробуриваемых скважин и при этом получить необходимое сырьё.

Поэтому с каждым годом добытчики твёрдых ископаемых всё больше «перетягивают» этот метод себе. Поэтому на MINEX Kazakhstan — 2024 эта тема удостоилась отдельного доклада.

«Сейсморазведка позволяет получать детальные изображения сложно построенной геологической среды и в благоприятных случаях обеспечивает картирование рудных тел и зон тектонических нарушений. Это минимизирует инвестиционные риски по освоению месторождений ТПИ, благодаря сокращению количества разбуриваемых скважин и более оптимальному планированию глубоких шахт.

Метод доказал свою эффективность при поисках и разведке ТПИ, хотя во многих случаях он и сталкивается с большими трудностями из-за отсутствия выдержанных отражений, характерных для горизонтально-слоистых сред в осадочных бассейнах при поисках и разведке нефти и природного газа (УВС)», — пояснил гендиректор ТОО «Пульс Казахстан» Александр Ошкин.

Докладчик добавил, что сейсморазведка позволяет решать поисковые задачи на глубинах, где остальные методы не работают. Тем более что различные современные технологии, в частности съёмка в движении и бескабельные станции, позволяют оптимизировать производство сейсморазведочных работ при поиске и разработке ТПИ и сделать их экономически целесообразными.

Преимущества такого подхода уже доказали добывающие компании в нескольких странах. Так, например, в Каталонском бассейне калийных солей (Испания) ещё с 70-х годов прошлого века проводили сейсмические съёмки с помощью 24-канальных аналоговых станций. Но съёмка велась в 2D.

И уже в наше время, в 2010-е гг., испанские добытчики перешли на сейсморазведку 3D на площади в 50 км2. Полученные данные подтвердили наличие запасов солей и целесообразность дальнейшей проходки штреков.

Сейсморазведку 2D проводили даже в СССР в 1979 году в Ботуобинском алмазоносном районе, но массового распространения она не получила. Зато в 2011 году «Алроса» внедрила технологии трёхмерной (3D) рудной сейсморазведки при поисках месторождений алмазов.

В итоге применение сейсморазведки 3D позволило компании обнаружить наиболее трудные в поисковом плане «слепые» рудные тела. В настоящее время предприятие использует сейсмику при геолого-разведочных работах и закупает сейсмическое оборудование.

Текст: Мария Бобова