Экологическая безопасность рентгенорадиометрической сепарации сурьмяных руд Восточного Забайкалья Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.7

Мязин

Виктор Петрович

Victor Myazin

Павленко Юрий Васильевич

Yuri Pavlenko

Сергеенко Елена Николаевна

Elena Sergeenko

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ РЕНТГЕНОРАДИОМЕТРИЧЕСКОЙ СЕПАРАЦИИ СУРЬМЯНЫХ РУД ВОСТОЧНОГО ЗАБАЙКАЛЬЯ

ENVIRONMENTAL SAFETY OF X-RAY RADIOMETRIC SEPARATION OF ANTIMONY ORES MINED IN EASTERN TRANSBAIKALIA

Рассмотрена концентрация токсичных эле- The article considers concentration of toxic ele-

ментов в почве, рыхлых отложениях и в руде ти- ments in soil, loose sediments and ores of Zhipkoshin-пового для Восточного Забайкалья Жипкошинско- skoe quartz-antimony deposit, typical for Eastern го кварц-антимонитового месторождения, а Transbaikalia, as well as migration of toxic elements также их миграция в процессе рентгено-радио- during X-ray radiometric ore separation метрической сепарации руды

Ключевые слова: сурьмяная руда, месторождение, Key words: antimony ore, deposit, X-ray radiometric sepa-рентгенорадиометрическая сепарация, токсичные ration, toxic elements, environmental safety элементы, экологическая безопасность

Необходимость освоения минерально-сырьевых ресурсов сурьмы в России обусловлена повышением мировых цен на сурьмяную продукцию, созданием новых материалов,технологий с использованием сурьмы, резким сокращением поставок сурьмы на мировой рынок основным ее производителем (Китаем), лишением страны крупных ме-

сторождений при распаде СССР. Все возрастающий спрос на сурьму в мире связан с ужесточением требований противопожарной безопасности и увеличением производства антипиренов.

Современная добыча и переработка сурьмяных руд России базируется преимущественно на запасах Якутии, расположенных в

неблагоприятных географо-экономических условиях. На крупном Олимпиадинском золоторудном месторождении (60 % запасов сурьмы в стране) сурьма учтена как попутный компонент и по технологическим причинам не извлекается. Существенное улучшение состояния минерально-сырьевой базы сурьмы возможно путем использования крупного ресурсного потенциала Восточно-Забайкальской сурьмяной провинции (прогнозные ресурсы категорий Р1 и Р2 272 тыс. т БЬ) [2]. Здесь известны многочисленные (более 200) мелкие и средние объекты часто с богатыми сурьмяными рудами, которые практически не изучены. Они локализуются в разрывных нарушениях среди различных по составу горных пород и в своем большинстве принадлежат к единому формационному и геолого-промышленному типам. Поскольку золото-сурьмяное оруденение в регионе позднее, во многих случаях оно локализуется в тех же структурах, что и более ранее, преимущественно полиметаллическое, образуя сложные по составу комплексные руды. Для таких руд характерен повышенный уровень опасности по содержанию мышьяка, ртути, свинца, цинка.

Вопросы переработки золотосодержащих сурьмяных руд традиционными способами рассмотрены в работах известных ученых

A.А. Абрамова, В.И. Зеленова, Е.П. Лемана,

B.А. Лилеева, Э.Г. Литвинцева, В.В. Лодейщи-кова, В.А. Мокроусова, В.П. Мязина, В.И. Рев-нивцева, П.М. Соложенкина, Л.П. Старчика, Г.В. Седельниковой, Е.М. Щлюфмана, Ю.О. Федорова, коллективами ИРГИРЕДМЕТ, ЦНИГРИ, АЛРОСА, другими НИИ СССР и России. Однако существенные успехи в области разработки технологий обогащения и переработки их продуктов не рассматривают вопросы экологической безопасности месторождений и технологий. До сих пор для многих месторождений, в том числе забайкальских, не разработаны требования к построению технологических схем, позволяющих уменьшить негативное воздействие процессов обогащения на окружающую природную среду; при изучении месторождений чаще анализируются экологи-

ческие аспекты горнорудного предприятия в части структуры производства.

Другим важным элементом расширения и использования минерально-сырьевой базы сурьмы является освоение прогрессивных технологий, в частности, рентгенорадиометрической сепарации (РРС). Эта технология вызывает особый интерес недропользователей к отработке даже мелких месторождений, поскольку позволяет организовать рентабельную переработку как богатых и рядовых, так и крупных запасов, но бедных руд.

В основе РРС лежит высокая энергия характеристического излучения сурьмы антимонита при облучении сурьмяной руды рентгеновскими лучами. Этот метод обеспечивает исключительно высокую техногенную миграцию полезного компонента и примесей при производстве промпродукта (БЬ 10...20 %), концентрата (БЬ 48.51 %) и в процессе накопления больших объемов отходов, т.е. образует новые источники негативного воздействия на окружающую природную среду и здоровье человека. Все это вызывает необходимость учитывать экологические особенности месторождений, минерального сырья и используемой технологии его переработки для определения степени экологической безопасности продукции и отходов РРС.

Характерным представителем золотосодержащих сурьмяных месторождений золотокварцевого геолого-промышленного типа Восточного Забайкалья является Жипкошинское. Месторождение по запасам сурьмы среднее, среднее содержание сурьмы около 6 %. На этом месторождении можно уточнить степень экологической безопасности подобных рудных объектов, связанных с концентрацией в них химических элементов в коренных породах, рыхлых образованиях и в природной биокос-ной системе, а также их миграцию в процессе переработки сурьмяных руд методом рентгенорадиометрической сепарации.

Для этого следует:

- оценить степень экологической опасности природных условий локализации сурь-

мяного оруденения, используя результаты собственных работ, геохимических исследований предшественников и горного предприятия;

- оценить степень накопления токсичных элементов в сурьмяном промпродукте, сурьмяном концентрате и в отходах РРС, основываясь на результатах собственных исследований и горнорудного предприятия;

- установить экологическую безопасность отходов РРС и возможность их использования в качестве вторичного сырья, опираясь на имеющийся фактический материал и соответствующие нормативные документы.

Для выполнения этих задач использованы материалы предприятия, предшественников и собственные исследования [6]. Собственные работы включают отбор и исследования более 200 проб. Они изучены в трех аттестованных лабораториях (ЗабНИИ, ЦЛАТИ, ЛИЦИМС) и включают химический (10), рентгеноструктурный (15), титриметрический (20), минералогический (15), полуколичественный спектральный (20), атомно-абсорбционный (30) анализы, выполненные по стандартным методикам с удовлетворительным качеством. В лабораториях горного института проведены технологические исследования по обогатимо-сти руд. Вещественный состав руд изучен по 193 химическим анализам бороздовых и за-дирковых проб, элементный - по спектральным анализам (навески 10.100 мг). Химическому анализу подвергались пробы после спектрального анализа. Изучение минералогического состава проводилось макро- и микроскопически. Образцы в количестве 6.30 шт. отбирались из частных проб.

Мониторинг качества почв производился по приоритетным химическим элементам -индикаторам отходов сурьмяных руд: сурьме, цинку, свинцу, ртути, мышьяку. Пробы отбирались по вектору розы ветров на расстоянии 50, 100, 200, 300, 500 и 1000 м от карьера. Отбор пяти частных проб с глубины 0.20 см проводился по сети, затем эти пробы перемешивались и объединялись в одну. Оценка уровня химического загрязнения почв прове-

дена по уточненному (в соответствии с классом вещества) коэффициенту концентрации химических веществ и суммарному (аддитивному) показателю загрязнения.

Жипкошинское месторождение открыто в 1955 г. при геологической съемке масштаба 1:200000. В последующем геологическое строение месторождения и его района неоднократно уточнялось. В настоящее время используются материалы действующего предприятия, которое одновременно с опытнопромышленной эксплуатацией проводит разведку месторождения.

Рудовмещающими являются среднекрупногалечные конгломераты, туфоконгломе-раты нижнекаменской подсвиты, слагающие пласт шириной около 150 м. Галька метаморфических, магматических пород и кварца хорошо окатана, цемент туфогенно-песчано-сланцевый в различной степени окварцован, аргиллизирован. На юге конгломераты тектонически контактируют с песчаниками и алевро-песчаниками комользинской свиты, оруденение в которых неизвестно. Северный фланг месторождения сложен туфогенно-вулканоген-ными породами верхнекаменской подсвиты. На восточном фланге локально развиты кислые эффузивы (риолит-порфиры), в которых локализовано прожилково-вкрапленное кварц-антимонитовое оруденение.

На месторождении выделяются два основных структурно-морфологических типа ан-тимонитового оруденения: кварцево-жильный (простые, четковидные и ветвящиеся жилы) и линейно-штокверковый (прожилково-вкраплен-ный), развивающиеся по контакту с жильными рудами или образующие самостоятельные минерализованные зоны, подчиненные «стержневым» жилам. На Западном участке преобладают жильные тела, на Восточном - минерализованные зоны. Контрастные по физикохимическим свойствам сравнительно крутопадающие жилы имеют мощность 0,2.6,5 м, протяженность по простиранию сотни, по падению - до 150 м, мощность прожилково-вкрапленных руд достигает десятки метров.

Минеральный состав руды, %: антимонит (2.85), кварц (2.80), арсенопирит, марказит, пирит, бертьерит, сурьмяные охры (сти-биоконит, сервантит, сенармонтит), киноварь, лимонит, скородит. Химический состав богатой антимонитовой руды, %: сурьма - 43,9; сера - 20,5; кремний - 10,7; мышьяк - 0,05; ртуть - 0,005; железо - 0,14; свинец - 0,001; кислород - 18; золото - 0,1.0,25 г/т; серебро

- 2,92 г/т. Средний элементный состав руды (п*10-3): 7п, Ш, V, РЬ, N1, 1_а, Се, Мп, Си (1-7), гг, Сг, Ве (10-70), Дб, Д Мо, Мд, Са (200-300). Относительное содержание окисленной формы сурьмы в богатой руде составляет 8,51 %, в рядовой - 51,57 %. На основании исследований вещественного состава можно констатировать, что в кварц-антимонитовой руде и в первичных ореолах месторождения накапливаются экологически опасные концентрации сурьмы, серы, кремния, мышьяка, ртути, свинца. Аномально высокими и опасными являются концентрации сурьмы.

Сурьма - элемент, существующий в состояниях окисления -3, +3, +5. Образует в основном устойчивые катионные соединения и комплексы. Наиболее токсичны трехвалентные соединения сурьмы. Воздействие соединений сурьмы на живой организм во многом подобно воздействию мышьяка. Высокая токсичность сурьмы обусловлена связями ее с атомами серы.

В 1963 г. на площади месторождения (1,65 х 0,45 км 2) литохимической съемкой по вторичным ореолам рассеяния масштаба 1:10

000 (2 км2) установлены пространственно совмещенные субширотные аномалии Дб (0,1.2 %) и БЬ (0,03.0,3 %); максимальные содержания Аи 0,03-0,1 г/т установлены в четырех пробах. В 1966 г. аналогичной съемкой масштаба 1:50000 в окрестностях месторождения выявлены ареальные поля (аномальные площади распространения ореолов) с содержаниями Дб - 0,003.0,2 %, БЬ - 0,003.0,01 %, Ш - до 0,005 %, и - до 0,03 %; месторождение находится на южном фланге субмеридиональ-ной аномальной площади, выделяемой по ореолам Дб и БЬ. Геофизическими исследованиями масштаба 1:50 000 фиксируются относительно низкие и ровные магнитные и гамма-поля, связанные с основными магматическими породами.

Никаких сведений о концентрации токсичных элементов в почвах месторождения не известно. Вместе с тем, результаты выполненных научных исследований о накоплении токсичных элементов (табл. 1) и их комплекса в биокосной системе месторождения свидетельствуют:

- повышенные концентрации (до 2 ПДК) образуют элементы первого класса опасности (Дб, Нд, РЬ, гп);

- высокие концентрации (до 45 ПДК) свойственны только БЬ-элементу второго класса опасности;

- вблизи карьера аддитивный показатель токсичности элементов достигает 60 показателей ПДК, на расстоянии 1 км он уменьшается до 5.

Таблица 1

Среднее содержание химических элементов и значения ПДК (ОДК) в почве по классам опасности загрязняющих компонентов

Класс опасности Значения ПДК (ОДК) для элементов, мг/кг Среднее содержание химических элементов в почве месторождения, мг/кг

1 Дб Нд РЬ гп Дб нд РЬ гп

2,0 2,1 32,9 23,0 10,2 5,4 59,0 29,0

2 БЬ Си Со Сг БЬ Си Со Сг

4,5 3,0 5,0 6,0 200 1,2 0,007 2,0

3 V Бг Мп V Бг Мп

- 150,0 6,0 700,0 6,0 45,0 - 20,0

Таким образом, Жипкошинское месторождение является сложной природной геохимической аномалией. В кварц-антимонитовой руде накапливаются экологически опасные концентрации сурьмы, серы, кремния, мышьяка, ртути, свинца, в рыхлых отложениях - сурьмы, мышьяка и кремния, а в биокосной системе -сурьмы, мышьяка, ртути и свинца.

Эффективность использования РРС в операциях предварительного концентрирования минерального сырья (подготовительные процессы) путем естественной и наведенной радиоактивности доказана на урановых, золотосодержащих кварц-антимонитовых рудах и алмазах [3]. Причем эффективность предварительной концентрации полезного компонента руды при отделении его от безрудной массы повышается одновременно с увеличением контрастности различий в свойствах между рудными и породообразующими минералами.

Целесообразность использования этого метода определяют оптимальные значения характеристического излучения минералов при облучении руды рентгеновскими лучами. Для кварц-антимонитовых руд оптимальной является энергия характеристического излучения 27 кэВ.

Построение технологических схем обогащения минерального сырья с использованием РРС базируется на максимальном удалении хвостов еще в голове обогатительного процесса, что повышает извлечение ценных компонентов в концентрат. Однако потенциальная опасность таких отходов (хвостов) на компоненты окружающей среды до сих пор не оценивалась.

На кафедре обогащения полезных ископаемых разработана защищенная патентом схема рентгенорадиометрической сепарации [5], включающая две стадии обогащения (рис. 1).

Рис. 1. Схема рентгенорадиометрической сепарации сурьмяных руд: 1,5 - радиометрические сепараторы; 2 - питатель; 3 - дробилка;

4 - грохот; 6,7,8,9 - конвейеры

В первую стадию выделяются промпро-дукт и хвосты. Во вторую стадию промпродукт через повторное грохочение по мере накопления подвергается вторичной радиометрической сортировке с получением концентрата, обогащенного продукта и хвостов обогащения. РРС существенно упрощает технологию обогащения руд, повышает экологическую безопасность технологии за счет максимального вывода хвостов в голове процесса, полноту извлечения из недр минерального сырья, га-

рантирует получение промышленного продукта с содержанием БЬ 8.10 % (извлечение 95.98 %) при крайне низких потерях БЬ в хвостах сепарации (не более 0,12 %) даже из руд с содержанием БЬ 0,7 %.

Экологическая безопасность технологии РРС сурьмяного сырья предусматривает комплексную оценку вещества, технологии и экологическую безопасность жизнедеятельности человека (рис. 2).

Рис. 2. Геоэкологическая система оценки экологической безопасности

Оценка опасности «минерального блока» включает изучение взаимосвязи структурного, вещественного, фазового состава природного, техногенного сырья и физических, физико-химических, технологических особенностей минералов. Подсистема «концентрат» характеризует опасность основных методов, процессов и устройств получения готовой про-

дукции с позиций используемых инноваций. Подсистема «отходы производства» отражает характеристики используемого технологического процесса, количество образуемых отходов, агрегатное состояние, физические свойства, компонентный состав отходов и их класс опасности. Для отходов сурьмяного производства характерен высокий уровень опасности по

содержанию мышьяка, ртути, цинка. Подсистема «экологическая безопасность жизнедеятельности человека» - потенциальная опасность для окружающей природной среды и здоровья человека.

При оценке экологической безопасности технологии РРС сурьмяных руд учитываются:

- сложность многокомпонентной системы, содержащей вредные токсичные примеси (токсичные и потенциально токсичные компоненты) в исходном сырье, концентрате и хвостах;

- степень концентрирования токсичных примесей в продуктах обогащения, исходя из баланса токсичных и потенциально токсичных компонентов по содержанию и частному выходу в отдельных продуктах.

Оценка экологической безопасности технологии РРС сурьмяных руд базируется на распределении токсичных и потенциально токсичных компонентов продуктивной и непродуктивной фракций, определении их содержаний в получаемых продуктах. Нахождение частного выхода и степени концентрации токсичных компонентов в отходах (уотх) определяется по формуле [4]

_ 100(Ьт - Хт )

Ус

-, %,

(1)

(Ьт - °Т )

где хТ - содержание токсичных и потенциально токсичных компонентов в исходном минеральном сырье;

ЬТ - содержание токсичных и потенциально токсичных компонентов в продуктивной фракции;

вТ - содержание токсичных потенциально токсичных компонентов в непродуктивной фракции.

Степень концентрации токсичных примесей (^) - показатель, обозначающий, какая часть токсичных и потенциально токсичных компонентов перешла в отходы - вычисляется по формуле

вТ

<Р _ — Хт

(2)

Оценка эффективности распределения и полноты перевода токсичных и потенциально токсичных компонентов в продукты обогащения проводится с использованием формул [1]:

ПТ —

Л

-х 100, %,

(3)

100 — Хт

где УТ - выход токсичных компонентов в продуктивной фракции;

Ут _ 100 — Уотх , (4)

ПТ - полнота перевода токсичных и потенциально токсичных компонентов в продуктивную фракцию

100(Хт — вт )Д

П

, %.

(5)

Хт Фт вТ )

Полнота перевода токсичных и потенциально токсичных компонентов в отходы:

ПО

100 — ПТ, %.

(6)

Таким образом, рентгенорадиометрическая сепарация обеспечивает получение экологически опасного промпродукта, экологически опасного концентрата и относительно экологически безопасных отходов. Степень концентрации токсичного комплекса составляет для промпродукта 0,65; для концентрата 1,75; для отходов 0,11.

РРС уменьшает накопление опасных веществ, снижает вредное воздействие выбросов загрязняющих веществ на окружающую среду, значительно сокращает объемы продуктивной фракции, требуемого для получения качества концентрата.

Экологическая опасность отходов устанавливается по приказу МПР России от 15.06.01, № 511 и документу «Критерии отнесения опасных отходов к классу опасности для окружающей природной среды». Класс опасности (К) определяется по показателю степени опасности отхода при его воздействии на ОПС, рассчитанного как сумма показателей степени опасности отдельных компонентов, составляющих отход (К|) (табл. 2):

К = К1 + К2 + ... + Кп. (7)

Показатель степени опасности компонента отхода для ОПС К| рассчитывается по

формуле ном отходе, мг/кг;

К; = О; / Ш|, (8) - коэффициент степени опасности

где О; - концентрация 1-го компонента в опас- отдельных компонентов отхода.

Таблица 2

Нахождение класса опасности отходов для ОПС

Класс опасности отхода Степень опасности отхода для ОПС (К)

I 106 > К> 104

II 104 > К> 103

III 103 > К> 102

IV 102 > К> 10

V К< 10

Путем отбора проб на опытном участке и их анализа вскрышные породы и отвалы радиометрического обогащения отнесены к 5 классу опасности (К< 10). Расчетные данные подтверждены результатами экспериментов в аттестованной лаборатории (табл. 3) двух тест-объектов из ранних биологических групп (дафнии, инфузории).

Радиационная безопасность отходов РРС установлена по значению эффективной удельной активности (Аэфф, Бк/кг) в лабораторном центре ООО «Лаборатория экологических про-

блем» (г. Чита) и данным дозиметрического контроля экспозиционной дозы ионизирующего излучения (мкР/час), используя нормативную документацию (НРБ-96, ГОСТ 30108-94, СП 2.6.1.799-99).

Отходы переработки сурьмяных руд Жипкошинского месторождения отнесены к I классу опасности минерального сырья; для богатых сурьмяных руд максимальное значение Аэфф 389 Бк/кг, минимальная радиоактивность - до 60 Бк/кг, вмещающие породы имеют значения Аэфф 132-312 Бк/кг.

Таблица 3

Результаты биотестирования проб отходов РРС

Шифр пробы Тест-объект Оценка тестируемой пробы Класс опасности для ОПС

рНисх безвредная кратность разведения (БКР) острое токсическое действие (ЛРК)

Отходы йарИпіа тадпа 8,1 1:1 ЛРК50

(отвал РРС) Б^аиБ БКР10-24 Не оказывает V

Рагатесіит саи- 8,1 1:1 ЛРК50

ЬаШт еИгепЬегд БКР10-24 Не оказывает

Отходы РРС являются вторичным минеральным сырьем, которое может использоваться в строительстве (ГОСТ 8267-93. Щебень и гравий из плотных горных пород для

строительных работ, ГОСТ 8736-93. Песок для строительных работ).

Таким образом, результаты исследований, обобщения и анализа материалов по кон-

центрации и техногенной миграции токсичных химических элементов на Жипкошинском сурьмяном месторождении - типичном представителе перспективного золото-сурьмяного оруденения Восточного Забайкалья - обеспе-

1. Авдохин М.В. Основы обогащения полезных ископаемых: учеб. для вузов: в 2 т. Т. I. Обогатительные процессы / М.В. Авдохин. - М.: МГГУ, 2006. - 417 с.

2. Комин М.Ф. Минерально-сырьевая база сурьмы в России: проблемы и решения / М.Ф. Комин, Д.С. Ключарев, Н.М. Волкова // Разведка и охрана недр. - 2О06. - № 9-10. - С. 26 - 29.

3. Мязин В.П. Инновационные процессы и экологически безопасные технологии обогащения минерального сырья //Вестник Забайк. цент. РАЕН. - Чита, 2009. - № 1.

4. Мязин В.П. Оценка эффективности технологических схем переработки сложных по со-

Коротко об авторах_________________________________

Мязин В.П, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой обогащения полезных ископаемых и вторичного сырья, Читинский государственный университет (ЧитГУ) mvazinvpchita@mail.ru

Научные интересы: экология горного производства при добыче и переработке минерального сырья

Павленко Ю.В., д-р геол.-минер. наук, профессор, Читинский государственный университет (ЧитГУ)

Тел.: 31-70-90

Научные интересы: рудные месторождения, минераге-ния

Сергеенко Е.Н., аспирантка, Читинский государственный университет (ЧитГУ)

чивают достоверную оценку экологической безопасности рентгенорадиометрической сепарации кварц-антимонитовых руд крупного горнорудного региона России.

_________________________________Литература

ставу сурьмяных золотосодержащих руд в России и за рубежом / В.П. Мязин, Е.Н Сергеенко // ГИАБ. - 2008. - № 6. - С. 159-163.

5. Мязин В.П. Оценка экологической безопасности технологий обогащения и переработки минерального сырья Забайкалья / В.П. Мязин, Г.И. Хантургаева, Е.Н. Сергеенко, В.И. Мязина // ГИАБ. - 2008. - № 6. - С. 164-180.

6. Сергеенко Е.Н. Обоснование экологической безопасности рентгенорадиометрической сепарации сурьмяных руд Восточного Забайкалья: автореф. дис... канд. техн. наук: 25. 00. 36 / Сергеенко Елена Николаевна. - Чита, 2009. - 31 с.

_____________________Briefly about the authors

V. Myazin, Doctor of Engineering Science, Professor, Holder of the Chair of Mineral Dressing and Secondary Raw Materials, Chita State University

Areas of expertise: ecology of mining during production and processing of mineral raw materials

Yu. Pavlenko, Doctor of Engineering Science (Geology and Mineralogy), Chita State University

Areas of expertise: ore deposits, mineragenic research

E. Sergeenko, post-graduate student, Chita State University

Научные интересы: экологическая безопасность Areas of expertise: environmental safety